Comment est fabriquée la fibre de carbone?

Aussi appelée fibre de graphite ou graphite de carbone, la fibre de carbone est constituée de brins très fins de l'élément carbone. Les fibres de carbone ont une résistance à la traction élevée et sont très résistantes pour leur taille. En fait, la fibre de carbone pourrait être le matériau le plus résistant qui soit.

Chaque fibre a un diamètre de 5 à 10 microns. Pour donner une idée de sa petite taille, un micron (um) équivaut à 0,000039 pouce. Un brin de soie d'araignée se situe généralement entre 3 et 8 microns.

Les fibres de carbone sont deux fois plus rigides que l'acier et cinq fois plus résistantes que l'acier (par unité de poids). Ils sont également très résistants aux produits chimiques et ont une tolérance aux températures élevées avec une faible dilatation thermique.

Les fibres de carbone sont importantes dans les matériaux d'ingénierie, l'aérospatiale, les véhicules haute performance, les équipements sportifs et les instruments de musique - pour n'en nommer que quelques-unes.

Matières premières

La fibre de carbone est fabriquée à partir de polymères organiques, qui sont constitués de longues chaînes de molécules maintenues ensemble par des atomes de carbone. La plupart des fibres de carbone (environ 90 pour cent) sont fabriquées à partir du processus de polyacrylonitrile (PAN). Une petite quantité (environ 10 pour cent) est fabriquée à partir de rayonne ou du procédé de brai de pétrole. Les gaz, liquides et autres matériaux utilisés dans le processus de fabrication créent des effets, des qualités et des qualités spécifiques de fibre de carbone. La fibre de carbone de la plus haute qualité avec les meilleures propriétés de module est utilisée dans des applications exigeantes telles que l'aérospatiale.

Les fabricants de fibres de carbone diffèrent les uns des autres par les combinaisons de matières premières qu'ils utilisent. Ils traitent généralement leurs formulations spécifiques comme des secrets commerciaux.

Processus de fabrication

Dans le processus de fabrication, les matières premières, appelées précurseurs, sont tirées en longs brins ou fibres. Les fibres sont tissées dans du tissu ou combinées avec d'autres matériaux enroulés par filament ou moulées selon les formes et les tailles souhaitées.

Il existe généralement cinq segments dans la fabrication de fibres de carbone à partir du processus PAN. Ceux-ci sont:

1. Filage. PAN mélangé avec d'autres ingrédients et filé en fibres, qui sont lavées et étirées.
2. Stabilisation. Altération chimique pour stabiliser la liaison.
3. Carbonisation. Fibres stabilisées chauffées à très haute température formant des cristaux de carbone fortement liés.
4. Traiter la surface. La surface des fibres oxydées pour améliorer les propriétés de liaison.
5. Dimensionnement. Les fibres sont enduites et enroulées sur des bobines, qui sont chargées sur des machines à filer qui tordent les fibres en fils de différentes tailles. Au lieu d'être tissées en tissus, les fibres peuvent être formées en composites. Pour former des matériaux composites, la chaleur, la pression ou le vide lie les fibres avec un polymère plastique.

Défis de fabrication

La fabrication de fibres de carbone comporte un certain nombre de défis, notamment:

• La nécessité d'une récupération et d'une réparation plus rentables.
• Le processus de traitement de surface doit être soigneusement réglementé pour éviter de créer des piqûres qui pourraient entraîner des fibres défectueuses.
• Contrôle serré requis pour assurer une qualité constante.
• Problèmes de santé et de sécurité
• Irritation de la peau
• Irritation respiratoire
• Arc et courts-circuits dans les équipements électriques en raison de la forte conductivité électrique des fibres de carbone.

L'avenir de la fibre de carbone

En raison de sa haute résistance à la traction et de son poids léger, beaucoup considèrent la fibre de carbone comme le matériau de fabrication le plus important de notre génération. La fibre de carbone peut jouer un rôle de plus en plus important dans des domaines tels que:

• Énergie: Pales d'éoliennes, stockage et transport de gaz naturel, piles à combustible.
• Automobiles: Actuellement utilisée uniquement pour les véhicules à hautes performances, la technologie en fibre de carbone se généralise. En décembre 2011, General Motors a annoncé qu'elle travaillait sur des composites en fibre de carbone pour la production de masse d'automobiles.
• Construction: Béton préfabriqué léger, protection antisismique.
• Avion: Avions de défense et commerciaux. Véhicules aériens sans pilote.
• L'exploration pétrolière: Plates-formes de forage en eau profonde, tiges de forage.
• Nanotubes de carbone: Matériaux semi-conducteurs, vaisseaux spatiaux, capteurs chimiques et autres utilisations.

En 2015, la fibre de carbone avait une taille de marché de 2,25 milliards de dollars. Selon les projections, le marché devrait atteindre 31 milliards de dollars d'ici 2024. Pour ce faire, les coûts doivent être réduits et de nouvelles applications ciblées.