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Un matériau innovant, léger et résistant
Qu’est-ce que la fibre de carbone ?
La fibre de carbone se compose de filaments extrêmement fins, entre 5 et 7 microns de diamètre. Ces filaments de carbone sont composés à plus de 90 % d’atomes de carbone, le reste étant principalement des atomes d’azote. Les atomes de carbone forment des plans graphitiques organisés en cristaux.
Comment est fabriquée la fibre de carbone Torayca®
La fibre de carbone Torayca® est produite à partir de fibre de polyacrylonitrile (PAN). Ces fibres de PAN sont obtenues par polymérisation, filage puis étirage du polymère. Les chaînes polymériques obtenues ont ainsi une orientation dans le sens de l’axe des filaments essentielle pour obtenir les propriétés de la fibre de carbone.
- La première étape du procédé de carbonisation, appelée oxydation, consiste à rendre la fibre de polyacrylonitrile ininflammable. L’oxydation se produit entre 200 et 300 °C. Durant cette étape, la tension du fil permet de garder l’orientation de chaînes polymériques.
- L’étape suivante, appelée carbonisation, consiste à ne conserver que les atomes de carbone. Avec des températures de l’ordre de 1 500 °C, la fibre de polyacrylonitrile oxydée réagit sous atmosphère inerte pour former les plans graphitiques caractéristiques de la fibre de carbone.
- La fibre de carbone peut éventuellement subir un deuxième traitement thermique à des températures supérieures à 2 000 °C. Sous l’effet de la chaleur, la structure cristalline de la fibre de carbone se modifie permettant d’obtenir des fibres de carbone à haut module.
- La fibre de carbone subit ensuite un traitement de surface : une électrolyse chimique. Elle permet de greffer des groupes oxygène à la surface des filaments. Ces groupes réactifs vont ensuite réagir avec l’ensimage. L’ensimage permet à la fibre de réagir avec la matrice polymère du composite. Cette réaction permet une mise en œuvre optimale pour l’application visée.
Quelles sont les propriétés de la fibre de carbone ?
Légèreté :
La fibre de carbone est légère car les atomes de carbone ont une faible masse atomique. De plus, la structure chimique en plans graphitiques organisés sous forme de cristaux induit de grandes distances entre atomes de carbone.
Propriétés mécaniques :
Les fibres de carbone sont extrêmement résistantes et rigides (module élevé). Les atomes de carbone sont liés par des liaisons covalentes dans les plans graphitiques. Ces liaisons chimiques sont des liaisons fortes : les atomes de carbone partageant un électron, il faut beaucoup d’énergie pour rompre ces liaisons chimiques.
La morphologie des filaments de carbone joue aussi un rôle important sur leur résistance.
Les propriétés mécaniques des composites carbone sont à observer au regard de leur densité (masse). On parle alors de résistance et module spécifiques pour lesquels les composites carbone sont aujourd’hui inégalés.
Propriétés thermiques :
La fibre de carbone ne craint pas la chaleur. Utilisée à des températures élevées, la fibre de carbone ne se dégrade pas et ne se dilate pas.
Pour utiliser pleinement le potentiel de leurs propriétés thermiques, les fibres de carbone sont parfois alliées à des matrices céramiques dont la plus employée n’est autre que le carbone lui-même ! Les matériaux composites conservent ainsi les propriétés du carbone jusqu’à des températures supérieures à 2 000 °C.
Conductivité et résistance électrique :
Les fibres de carbone sont conductrices de l’électricité. Soumises à un courant électrique, les fibres de carbone produisent de la chaleur par effet Joule. Grâce à leur conductivité électrique et à leur excellente résistance thermique, elles offrent une excellente solution de chauffage. Les composites carbone peuvent également jouer le rôle de barrière de protection des équipements électroniques contre les parasites électriques et les radiofréquences. Les composites carbone assurent ainsi le rôle de cage de Faraday.
Perméabilité aux rayons X :
La fibre de carbone est constituée d’éléments légers : 95 % d’atomes de carbone et 5 % d’azote. Elle absorbe très peu les rayons X permettant l’utilisation dans l’imagerie médicale.
Ininflammabilité :
Les fibres de carbone ont une structure extrêmement ordonnée qui induit beaucoup de liaisons fortes entre atomes de carbone. La réaction d’oxydation du feu ne peut alors pas s’autoalimenter, donnant son caractère ininflammable à ce matériau.
Comment est utilisée la fibre de carbone ?
Légère, résistante et durable, la fibre de carbone est un matériau d’avenir. Elle est employée comme renfort d’un matériau composite. Les principaux secteurs d’applications sont :
- L’aéronautique et le spatial ;
- Le sport (clubs de golf, cannes à pêche, cadres de vélo) ;
- L’automobile ;
- Les industries nautiques ;
- Le génie civil ;
- L’énergie.
La fibre de carbone permet notamment d’alléger les structures de nos moyens de transport. Une réduction de masse de 20 % d’un fuselage d’avion en composite carbone permet d’économiser 1 400 tonnes de CO2 tout au long de son cycle de vie.
Industrie automobile : la solution des véhicules à hydrogène.
Les véhicules à hydrogène ont aujourd’hui des autonomies supérieures à celles des véhicules à batterie électrique (> 500 km). Cette performance est possible grâce au stockage d’hydrogène compressé dans un réservoir en fibre de carbone. Grâce à ses propriétés, la fibre de carbone est aujourd’hui le seul matériau capable d’offrir une résistance durable et une légèreté.
La fibre de carbone, transformée sous forme de papier carbone, est aussi la solution pour réaliser le composant clé des piles à combustible : Les membranes de diffusion gazeuse.
