La fibre de carbone, également connue sous le nom de graphite de carbone, est une fibre à haute résistance fabriquée en chauffant des fibres synthétiques ou des fibres de polyacrylonitrile ou de brai de pétrole à une température appropriée. Aujourd'hui, la fibre de carbone est devenue un composant essentiel de nombreux produits, de nouvelles applications étant développées chaque année. Les États-Unis, le Japon et l'Europe occidentale sont les principaux producteurs de fibre de carbone.

Ce Qui les Rend Uniques ?

La fibre de carbone est la fibre de renforcement la plus dure et la plus résistante dans les composites polymères, après la fibre de verre. Les fibres de carbone sont classées par le module d'élasticité de la fibre, qui mesure la force de traction qu'une fibre d'un certain diamètre peut supporter sans se rompre. Selon l'orientation de la fibre, les composites de fibre de carbone peuvent être plus forts dans une direction ou également forts dans toutes les directions. Un petit morceau peut supporter plusieurs tonnes d'impact, avec une déformation minimale. La nature complexe de l'entrelacement des fibres les rend difficiles à casser.

Principales Applications

Les deux principales applications de la fibre de carbone se situent dans des technologies spécialisées, notamment l'aérospatiale et le génie nucléaire. D'autres domaines fonctionnels incluent les textiles, les microélectrodes, les composites renforcés de fibre de carbone pour la fabrication de pièces d'aéronefs et d'engins spatiaux, les carrosseries de voitures de course, les manches de clubs de golf, les cadres de bicyclettes, les cannes à pêche, les ressorts de voiture, les mâts de voilier et de nombreux autres composants nécessitant légèreté et haute résistance.

Classification de la Fibre de Carbone

La fibre de carbone peut être classée en fonction de son module, de sa résistance et de sa température finale de traitement thermique.

Matériaux Premiers et Processus de Fabrication

Les matériaux utilisés pour fabriquer la fibre de carbone sont appelés précurseurs. Environ 90 % des fibres de carbone sont fabriquées à partir de polyacrylonitrile (PAN). Les 10 % restants sont fabriqués à partir de fibres synthétiques ou de brai de pétrole. Tous ces matériaux sont des polymères organiques, caractérisés par de longues chaînes de molécules liées ensemble par des atomes de carbone. La composition exacte de chaque précurseur varie selon l'entreprise et est souvent considérée comme un secret commercial.

Processus de Fabrication

Le processus de fabrication de la fibre de carbone est en partie chimique et en partie mécanique. Le précurseur (l'épine dorsale moléculaire de la fibre) est étiré en longues chaînes ou fibres, puis chauffé à très haute température, l'empêchant de entrer en contact avec de l'oxygène. Sans oxygène, les fibres ne peuvent pas brûler. Au lieu de cela, la haute température provoque de vigoureuses vibrations atomiques à l'intérieur de la fibre jusqu'à ce que la plupart des atomes non carbonés soient expulsés. Ce processus est appelé carbonisation, laissant derrière lui des fibres constituées de longues chaînes de carbone étroitement entrelacées, avec seulement quelques atomes non carbonés restants.

Problèmes de Sécurité

Le principal risque pour la santé associé à la manipulation de la fibre de carbone est dû à une irritation mécanique et à une abrasion, similaire aux fibres de verre. Si elles ne sont pas contrôlées, ces microfibres ont le potentiel de s'incruster dans la peau humaine ou les muqueuses, causant une irritation. Il est crucial de protéger les yeux et la gorge de la poussière de fibre de carbone.

Raisons de la Substitution des Matériaux Composites en Fibre de Carbone aux Matériaux Traditionnels

1. Rapport Résistance-Poids Élevé : La fibre de carbone pèse environ 25 % de l'acier, 70 % de l'aluminium, et est plus forte et plus dure que les deux. Les ingénieurs automobiles haut de gamme utilisent des matériaux composites pour réduire le poids du véhicule jusqu'à 60 %, tout en améliorant la sécurité en cas de collision.

2. Durabilité : Les matériaux composites CFRP ne rouillent pas quel que soit l'environnement. Leur ténacité à la rupture est inférieure à celle des métaux mais supérieure à celle de la plupart des polymères. Une stabilité dimensionnelle élevée leur permet de maintenir leur forme, qu'il fasse chaud ou froid, humide ou sec.

3. Nouvelles Options de Conception : Les composites CFRP offrent des options de conception difficiles à réaliser avec des matériaux traditionnels. Ils permettent la consolidation des pièces ; une seule pièce composite peut remplacer l'ensemble de l'assemblage de pièces métalliques. La texture de surface peut être modifiée pour imiter n'importe quelle finition, du lisse au texturé.

L'Avenir de la Fibre de Carbone

L'avenir du marché des plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP) semble prometteur, avec des opportunités dans les industries aérospatiale, automobile, des réservoirs sous pression et de l'énergie éolienne. Les principaux moteurs de ce marché sont la demande croissante de matériaux composites haute performance et légers et les exigences de performance croissantes de diverses industries finales. Les tendances émergentes ayant un impact direct sur l'industrie comprennent le développement de technologies pour réduire les coûts de fabrication de la fibre de carbone et le recyclage des pièces et des CFRP, car la fibre de carbone recyclée réduit les coûts des produits et l'impact environnemental.