Comment est fabriquée la fibre de carbone ?

La fibre de carbone , également appelée fibre de graphite, est une fibre synthétique composée de filaments très fins, de 5 à 10 microns de diamètre, d’un polymère dont l’élément principal est le carbone. Une fibre de carbone est obtenue en tissant et en transformant des milliers de ces filaments fins. Ces filaments ont une résistance à la traction élevée, ils sont donc extrêmement résistants pour leur épaisseur. Une forme de fibre de carbone, le nanotube de carbone, est considérée comme le matériau le plus résistant qui puisse être fabriqué. En général, les fibres de carbone ont des propriétés similaires à celles de l’acier, bien qu’elles soient beaucoup plus légères, avec une densité similaire au bois ou au plastique.

Les applications des fibres de carbone sont multiples : dans la construction, dans la technologie aérospatiale, dans les véhicules hautes performances, dans diverses applications d’ingénierie, dans les équipements sportifs, dans les instruments de musique.

Les fibres de carbone ont diverses applications liées à l’énergie, telles que la fabrication de pales d’éoliennes ; Ils sont également utilisés dans les systèmes de stockage de gaz naturel et les accumulateurs électriques pour véhicules. Dans l’industrie aéronautique, ce matériau est utilisé dans les avions commerciaux et militaires, ainsi que dans les véhicules aériens sans pilote. Ils sont également utilisés dans la fabrication de plates-formes et de conduites pour la prospection et l’exploitation pétrolières en eaux profondes.

Les filaments qui composent la fibre de carbone sont constitués de polymères organiques : de longues chaînes de composés carbonés qui sont produits par l’union répétée d’une même molécule, appelée monomère . La plupart des fibres de carbone, environ 90 %, sont fabriquées à partir de polyacrylonitrile (PAN). Ce polymère est généré à partir d’acrylonitrile ou de propylènenitrile (C ₃ H ₃ N), dans la réaction illustrée dans la figure suivante.

Les conditions spécifiques des procédés de fabrication du matériau lui confèrent les qualités particulières des fibres de carbone. Certaines de ces conditions sont les matières premières utilisées, les températures des procédés (certaines étapes sont réalisées dans des fours à haute température) ou l’atmosphère dans laquelle ils sont produits (une partie des procédés se déroulent en l’absence d’oxygène). Les processus de fabrication sont la propriété de leurs fabricants, de sorte que divers aspects du processus sont des secrets commerciaux. La fibre de carbone de la plus haute qualité, avec le module d’élasticité le plus efficace, est utilisée dans les applications les plus exigeantes, telles que l’industrie aérospatiale.

Procédés de fabrication de fibre de carbone

La fabrication des fibres de carbone combine des procédés chimiques et mécaniques. La matière première précurseur des fibres de carbone est produite en filaments minces qui sont ensuite chauffés à des températures élevées dans une atmosphère anaérobie (sans oxygène). Les hautes températures provoquent l’expulsion de la matière de tous les atomes qui ne sont pas du carbone. De cette manière, le processus de carbonisation produit une fibre composée principalement d’atomes de carbone en longues chaînes, produit de l’entrelacement des filaments d’origine. Ces fibres peuvent ensuite être tissées ou mélangées avec d’autres matériaux pour produire un autre type de fibre ou moulées en différentes formes et tailles. Voyons ci-dessous la séquence des processus impliqués dans la fabrication des fibres de carbone.

fil . Le polyacrylonitrile est mélangé avec d’autres composants et filé en fibres qui se déplient après le lavage.

stabilisation . Les fibres subissent des processus chimiques qui stabilisent les composés.

carbonisation . Les fibres stabilisées sont chauffées à des températures très élevées, entre 1 000 et 2 500 degrés Celsius pendant de longues périodes, dans une atmosphère anaérobie. C’est ainsi que la cristallisation du carbone est générée dans une union à haute cohésion.

Traitement de surface . La surface des fibres est oxydée pour améliorer la liaison inter-fibres lors du tressage ultérieur.

en forme . Les fibres sont traitées et enroulées sur des bobines qui sont chargées dans des machines qui les tordent en fibres d’épaisseurs et de propriétés mécaniques différentes. Ces fibres peuvent être utilisées pour tisser des tissus ou associées à d’autres matériaux tels que des polymères thermoplastiques dans des procédés utilisant la chaleur, la pression ou le vide, afin de former des pièces aux formats et propriétés spécifiques.

Les nanotubes de carbone sont fabriqués à l’aide de procédés différents de ceux des fibres de carbone standard, en utilisant des faisceaux laser dans des fours spéciaux dans le processus de carbonisation. Les nanotubes peuvent atteindre des résistances vingt fois supérieures à celles de leurs précurseurs.

Après avoir terminé la série de processus, des fibres de carbone seront obtenues et chacune d’elles sera composée de milliers de filaments de carbone ; le nombre de filaments de chaque fibre peut varier entre 1 000 et 24 000, ceci étant une caractéristique de fabrication précisée au cas par cas.

La structure de la fibre de carbone ainsi réalisée sera similaire à celle du graphite, qui se déploie en feuillets superposés d’atomes de carbone avec une structure cristalline dont le motif est hexagonal. Contrairement au graphite, la fibre de carbone est un matériau amorphe et non cristallin. les atomes de carbone sont disposés en nappes qui s’entrecroisent, ce qui confère à cette fibre sa résistance mécanique exceptionnelle.

Les processus de fabrication de la fibre de carbone comportent un certain nombre de risques et de défis. Les coûts de fabrication sont inabordables pour certaines applications ; Par exemple, bien qu’il s’agisse d’une technologie en développement, les coûts prohibitifs de l’industrie automobile limitent actuellement l’utilisation des fibres de carbone aux véhicules performants et de luxe.

Le processus de traitement de surface doit être soigneusement régulé pour éviter la génération de défauts qui se traduisent par des fibres défectueuses. Un contrôle strict des processus est nécessaire pour garantir la qualité du produit. À leur tour, ces processus sont associés à des problèmes de santé et de sécurité et peuvent provoquer des affections respiratoires et épidermiques. Les fibres de carbone sont des conducteurs électriques, elles peuvent donc générer des arcs et des courts-circuits dans les équipements électriques, avec les risques qui en découlent.

Une technologie en développement

À mesure que la technologie de la fibre de carbone continue d’évoluer, les possibilités d’utilisation et d’application se diversifieront et augmenteront. Plusieurs études liées à la production de fibres de carbone sont en cours d’élaboration au Massachusetts Institute of Technology (MIT) qui s’avèrent déjà prometteuses dans la création de nouvelles technologies de fabrication et de conception pour répondre à la demande de l’industrie.

John Hart, professeur agrégé de génie mécanique au MIT, pionnier des nanotubes, a travaillé avec ses étudiants pour transformer la technologie de fabrication, notamment en trouvant de nouveaux matériaux à utiliser dans les publicités 3-imprimantes. Hart a demandé à ses étudiants de sortir des sentiers battus pour imaginer des imprimantes 3D qui fonctionneraient avec de nouveaux matériaux. Les résultats étaient des prototypes qui imprimaient des composites de verre fondu, de crème glacée et de fibre de carbone. Les équipes d’étudiants ont également créé des machines capables de gérer l’extrusion parallèle de polymères sur une grande surface , ainsi que d’effectuer un balayage optique sur site du processus d’impression.

John Hart a travaillé avec Mircea Dinca, professeur agrégé de chimie au MIT, sur un projet commun avec Automobili Lamborghini. Il a étudié les possibilités de développer de nouveaux matériaux composites et de la fibre de carbone qui pourraient un jour permettre à l’ensemble de la carrosserie de la voiture d’être utilisé comme système de batterie, ainsi que de produire des structures plus solides et plus légères, des peintures plus fines, des convertisseurs catalytiques plus efficaces et d’obtenir une meilleure chaleur. transfert dans le système automobile.

Avec la perspective de progrès aussi étonnants, il n’est pas étonnant que le marché de la fibre de carbone devrait passer de 4,7 milliards de dollars en 2019 à 13,3 milliards de dollars en 2029.

Sources

• McConnell, Vicky. La fabrication de la fibre de carbone . Monde composite , 2008.

• Sherman, Don. Au-delà de la fibre de carbone : le prochain matériau révolutionnaire est 20 fois plus résistant. Car and Driver, consulté en septembre 2021.
• Randall, Danielle. Des chercheurs du MIT collaborent avec Lamborghini pour développer une voiture électrique du futur . MITMECHE/In The News : Department of Chemistry, 2017. Marché de la fibre de carbone par matière première (PAN, poix, rayonne), type de fibre (vierge, recyclée), type de produit, module, application (composite, non composite), fin- utilisez Industry (A&D, Automotive, Wind Energy) et Region—Global Forecast to 2029. MarketsandMarkets™, 2019.
• Alerte Eurek ! Le cours du MIT met les étudiants au défi de réinventer l’impression 3D .