L'essor des plastiques renforcés de fibres de carbone

Fibres de carbone dans les matières plastiques

L'utilisation de fibres de carbone dans les matières plastiques a une longue histoire. Dès 1879, Thomas Edison expérimentait des fibres de carbone à base de fils de coton et de lamelles de bambou. En effet, la première ampoule à incandescence chauffée à l'électricité contenait des fibres de carbone.

Dans les années 1960, le Dr Akio Shindo de l'Agence des sciences et technologies industrielles du Japon a développé une fibre de carbone à base de polyacrylonitrile (PAN). La fibre résultante contenait 55 % de carbone.

Le processus de conversion basé sur le PAN est rapidement devenu la principale méthode de production de fibre de carbone. Aujourd'hui, 90 % des fibres de carbone sont fabriquées à partir de polyacrylonitrile (C₃ H₃ N)_n ou PAN sur une résine polymère organique synthétique semi-cristalline.  Les 10 % restants sont fabriqués à partir de rayonne ou de brai de pétrole. Les fibres en PAN sont extrêmement résistantes et légères. Ces fibres sont liées par des polymères thermodurcissables ou thermoplastiques tels que le polyester, l'ester vinylique ou le nylon pour fabriquer du plastique renforcé de fibres de carbone, ou du carbone FRP.

L'ajout de fibre de carbone à un polymère présente de nombreux avantages

La résistance à la traction et le module de flexion sont augmentés, tout comme la température de déflexion thermique ou HDT. De plus, l'ajout d'un renfort en fibre de carbone diminue le rétrécissement et le gauchissement.

Chaque fibre de carbone est un long brin fin composé de milliers de filaments de carbone. Une seule fibre mesure environ 5 à 10 µm de diamètre et se compose principalement de carbone. Les cristaux microscopiques du carbone se lient ensemble dans une structure plus ou moins alignée parallèlement au grand axe de la fibre. C'est cet alignement de cristaux qui rend les fibres si solides.

Classé par module de traction

Les fibres de carbone sont classées selon le module de traction* de la fibre. Le module de traction peut aller de 34,8 millions de psi à 72,5-145,0 millions de psi. L'acier a un module de traction de 29 millions de psi, donc la fibre de carbone la plus résistante est cinq fois plus résistante que l'acier.

Les fibres à « faible » module ont un module de traction inférieur à 34,8 millions de psi (240 millions de kPa). Les fibres sont également classées par ordre croissant de module de traction en « module standard », « module intermédiaire », « module élevé » et « module ultra-élevé ». Les fibres de carbone avec une classification de module ultra-élevé ont un module de traction de 72,5 à 145,0 millions de psi (500 à 1,0 milliard de kPa).

Tournage, stabilisation, carbonisation, traitement de surface et dimensionnement 

Le processus de fabrication de la fibre de carbone est en partie chimique et en partie mécanique.

• Tournage : Le PAN est filé en utilisant l'un des quelques procédés de filage. Cette étape est importante car elle forme la structure atomique interne de la fibre. Les fibres sont ensuite lavées et étirées au diamètre requis. L'étirement aide également à aligner les molécules pour aider à la formation des cristaux de carbone créés par la carbonisation.
• Stabilisation : Dans cette étape, les fibres sont traitées avec des produits chimiques pour changer leur liaison linéaire en une structure de liaison en échelle thermiquement stable. Les filaments sont ensuite chauffés dans l'air afin qu'ils captent les molécules d'oxygène et modifient leur schéma de liaison atomique.
• Carbonisation : Les fibres sont ensuite exposées à une chaleur très élevée sans oxygène présent afin que la fibre ne puisse pas brûler. Les atomes de la fibre vibrent violemment, expulsant la plupart des atomes non carbonés du précurseur.
• Traitement de surface : Après carbonisation, la surface des fibres ne se lie pas bien avec les matériaux utilisés dans la fabrication des matériaux composites. Dans cette étape, la surface des fibres est légèrement oxydée par immersion dans divers gaz ou liquides.
• Taille :  Dans ce processus, les fibres sont enduites pour les protéger des dommages lors de l'enroulement ou du tissage.

Quelques produits fabriqués à partir de fibres de carbone sont des cannes à pêche, des vélos, des équipements de golf, des raquettes de tennis, des pièces pour avions, ponts et automobiles.

* Le module de traction est la force de traction qu'une fibre d'un certain diamètre peut exercer sans se rompre. Le module de traction est décrit en livres par pouce carré ou en psi.

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