Fibre de carbone : composition, fabrication et applications futures

Historique

La fibre de carbone est un fil fin et allongé, généralement de 0,0002 à 0,0004 po (0,005 à 0,010 mm) de diamètre, composé presque entièrement d'atomes de carbone organisés en cristaux microscopiques alignés le long de l'axe de la fibre. Cet alignement confère une résistance à la traction exceptionnelle par rapport à sa taille. Des milliers de fibres sont torsadées en un fil, qui peut être tissé en tissus ou combiné à de l'époxy pour créer des composites haute performance utilisés dans l'aérospatiale, l'automobile, les articles de sport et les applications marines.

Les premières fibres de carbone sont apparues dans les années 1950 comme renfort haute température pour composants de missiles. Les premières tentatives utilisant de la rayonne chauffée ont produit des fibres ne contenant qu'environ 20 % de carbone et une résistance limitée. Dans les années 1960, un procédé à précurseur de polyacrylonitrile (PAN) a donné des fibres contenant environ 55 % de carbone et de meilleures propriétés mécaniques, devenant la norme de l'industrie.

Dans les années 1970, des fibres dérivées de poils de pétrole ont été développées, atteignant environ 85 % de carbone et une excellente résistance à la flexion, bien que leur performance en compression plus faible ait limité leur adoption généralisée.

Aujourd'hui, la fibre de carbone est intégrée à d'innombrables produits, avec une innovation continue élargissant son utilisation. La production reste concentrée aux États-Unis, au Japon et en Europe occidentale.

Classification des fibres de carbone

Les fibres de carbone sont classées par module de traction, la mesure de la résistance à l'étirement. L'unité anglaise est la livre de force par pouce carré (psi). Les fibres à faible module ont un module inférieur à 34,8 Mpsi (240 MPa). Les catégories supérieures — standard, intermédiaire, élevé et ultra-élevé — atteignent 72,5 à 145,0 Mpsi (500 à 1 000 MPa). Pour contexte, l'acier a généralement un module d'environ 29 Mpsi (200 MPa), donc les fibres de carbone les plus résistantes peuvent être cinq fois plus rigides que l'acier.

Les fibres à ultra-haut module dérivées de poils de pétrole sont parfois appelées fibres de graphite en raison de leur structure cristalline qui ressemble étroitement au graphite pur.

Pendant la production, les brins polymères sont chauffés à des températures très élevées dans un environnement sans oxygène. L'absence d'oxygène empêche la combustion ; à la place, les atomes non-carbone sont expulsés sous forme de gaz, laissant derrière eux un réseau de carbone fortement lié.

Matériaux premiers

Le précurseur — généralement le polyacrylonitrile — constitue environ 90 % de la production commerciale de fibre de carbone, les 10 % restants provenant de rayonne ou de poils de pétrole. Ces polymères organiques consistent en longues chaînes à base de carbone, et la formulation exacte de chaque fabricant est propriétaire.

Divers gaz et liquides sont introduits pendant le traitement pour contrôler les réactions, la température et les propriétés de surface. Leurs compositions spécifiques sont également généralement des secrets commerciaux.

Le processus de fabrication

La production de fibre de carbone mélange étapes chimiques et mécaniques. Le précurseur est étiré en brins, chauffé à haute température sans exposition à l'oxygène, puis subit une série de transformations contrôlées pour produire la fibre finale.

Filature

• 1. La poudre de polymère d'acrylonitrile est mélangée à un co-polymère tel que l'acrylate de méthyle et polymérisée avec un catalyseur pour former le PAN.
• 2. Le polymère est extrudé en fibres par filature par jet ou par fusion, où il coagule ou évapore les solvants pour se solidifier. Cette étape détermine la microstructure interne.
• 3. Les fibres sont lavées et étirées pour atteindre le diamètre cible et aligner les chaînes moléculaires.

Stabilisation

• 4. Les fibres sont traitées thermiquement dans l'air à 390–590 °F (200–300 °C) pendant 30–120 minutes. Ce processus convertit la liaison linéaire en une structure en échelle thermiquement stable, incorporant l'oxygène dans le réseau et générant de la chaleur qui doit être soigneusement gérée.

Carbonisation

• 5. Les fibres stabilisées sont chauffées à 1 830–5 500 °F (1 000–3 000 °C) dans une atmosphère inerte. L'oxygène est exclu en pressurisant le four et en scellant les points d'entrée/sortie. Au fur et à mesure du chauffage, les atomes non-carbone s'échappent sous forme de gaz (vapeur d'eau, ammoniac, CO, CO₂, H₂, N₂, etc.), laissant derrière eux un cristal de carbone hautement ordonné.

Traitement de surface

• 6. Après carbonisation, la surface de la fibre est légèrement oxydée pour améliorer l'adhésion avec les résines. L'oxydation peut être obtenue par exposition à des gaz (air, CO₂, ozone) ou liquides (NaOCl, HNO₃). Le revêtement électrolytique est une autre option. Le processus est rigoureusement contrôlé pour éviter les défauts de surface qui pourraient compromettre la résistance.

Enduction

• 7. Les fibres sont enduites (enduit) pour les protéger pendant le bobinage ou le tissage et pour améliorer la compatibilité avec les matrices composites. Les agents d'enduction courants incluent l'époxy, le polyester, le nylon et l'uréthane.
• 8. Les fibres enduites sont bobinées sur des canettes puis torsadées en fils de divers diamètres.

Contrôle qualité

L'inspection visuelle est impraticable en raison de la taille microscopique de la fibre. La qualité repose sur le contrôle précis des propriétés du précurseur et des paramètres de fabrication — temps, température, débit de gaz et chimie — tout au long du processus. Les fibres et composites finis subissent des tests rigoureux de densité, résistance, teneur en enduction et autres métriques critiques, suivant les normes établies par l'Association des fournisseurs de matériaux composites avancés en 1990.

Préoccupations santé et sécurité

Les principales préoccupations pendant la production et la manipulation incluent l'inhalation de poussières, l'irritation cutanée et les interférences électriques.

La poussière de fibre de carbone est généralement trop grosse pour pénétrer le tissu pulmonaire, contrairement à l'amiante. Néanmoins, elle peut irriter les voies respiratoires, donc les travailleurs doivent porter une protection respiratoire appropriée.

Les fibres peuvent irriter la peau, particulièrement aux mains et poignets. Des vêtements de protection ou crèmes barrières sont conseillés, et il faut faire attention aux produits chimiques d'enduction qui peuvent causer des réactions allergiques.

Comme les fibres de carbone conduisent l'électricité, la poussière peut créer des arcs ou courts-circuits dans les équipements voisins. Dans de tels environnements, les appareils sensibles doivent être isolés ou blindés.

L'avenir

Les nanotubes de carbone — tubes creux avec des diamètres aussi petits que 0,00004 po (0,001 mm) — représentent la frontière de la technologie des fibres de carbone. Leur résistance mécanique extraordinaire et leur conductivité électrique ouvrent des possibilités pour les fibres de prochaine génération, les micro-tubes et les composants semi-conducteurs.