Variétés de fibres de carbone et processus de production

Les fibres de carbone (FC) sont des fibres d'environ 5 à 10 micromètres de diamètre, composées majoritairement d'atomes de carbone.

Les fibres de carbone présentent plusieurs avantages :

• raideur élevée,
• résistance à la traction élevée,
• faible poids et
• forte résistance chimique.

Après la lecture de cet article, vous connaîtrez la principale classification des fibres de carbone, les matières premières nécessaires et leur processus de fabrication détaillé.

Vous pourrez ainsi évaluer rapidement la qualité des produits en fibre de carbone et maîtriser l'ensemble du processus de fabrication plus efficacement.

1. Classification générale des fibres de carbone

A. Selon le module de traction

Le module de traction de la fibre est le critère clé pour classifier les fibres de carbone.

Le module de traction, abréviation de « module d'élasticité », mesure la rigidité d'une fibre d'un certain diamètre, ou sa résistance à l'étirement : plus le nombre est élevé, plus la fibre est rigide.

B. Selon l'ordre croissant du module de traction

D'autres classifications, par ordre croissant du module de traction, incluent : « module standard », « module intermédiaire », « module élevé » et « module ultra-élevé ».

Par exemple, les fibres de carbone à module ultra-élevé ont un module de traction de 500 millions à 1 milliard de kPa. En comparaison, l'acier a un module de traction d'environ 200 millions de kPa. La fibre de carbone la plus résistante est donc environ cinq fois plus résistante que l'acier.

2. Quelles matières premières pour la fabrication ?

La matière première utilisée pour fabriquer la fibre de carbone est le précurseur.

A. Polyacrylonitrile

Environ 90 % des fibres de carbone sont fabriquées à partir de polyacrylonitrile (PAN).

B. Rayon ou goudron de pétrole

Les 10 % restants proviennent de rayon ou de goudron de pétrole. Tous ces matériaux sont des polymères organiques, caractérisés par de longues chaînes de molécules liées par des atomes de carbone.

C. Gaz et liquides

Pendant le processus de fabrication, divers gaz et liquides sont indispensables.

Certains de ces matériaux doivent réagir avec la fibre pour obtenir un effet spécifique. D'autres ne doivent pas réagir ou servent à empêcher certaines réactions avec la fibre.

Comme pour les précurseurs, les compositions exactes de nombreux matériaux de processus sont des secrets industriels.

3. Processus de fabrication de la fibre de carbone

Le processus de fabrication des fibres de carbone est en partie chimique et en partie mécanique.

Le précurseur est étiré en longs brins ou fibres, puis chauffé à très haute température en évitant tout contact avec l'oxygène.

Sans l'oxygène, la fibre ne peut pas brûler. Au lieu de cela, la haute température provoque une vibration violente des atomes dans la fibre jusqu'à ce que la plupart des atomes non-carbonés soient expulsés.

Ce processus est la carbonisation et laisse une fibre composée de chaînes longues et étroitement imbriquées d'atomes de carbone, avec seulement quelques atomes non-carbonés restants.

Dans les paragraphes suivants, nous vous présenterons une séquence typique d'opérations pour former des fibres de carbone à partir de polyacrylonitrile.

3.1 Filage

1) Mélanger de la poudre de plastique acrylonitrile avec un autre plastique (acrylate de méthyle ou méthacrylate de méthyle).

2) Réagir avec un catalyseur dans un processus de polymérisation en suspension ou en solution conventionnel pour former un plastique polyacrylonitrile.

3) Le plastique est ensuite filé en fibres, qui sont lavées et étirées.

3.2 Stabilisation

1) Avant la carbonisation, les fibres doivent être chimiquement modifiées pour convertir leur liaison atomique linéaire en une liaison en échelle plus stable thermiquement.

2) La stabilisation s'effectue en chauffant les fibres dans l'air à environ 200-300 °C (390-590 °F) pendant 30 à 120 minutes.

3.3 Carbonisation

1) Une fois la stabilisation terminée, les fibres sont chauffées à une température d'environ 1 000-3 000 °C (1 830-5 500 °F) pendant plusieurs minutes dans un four rempli d'un mélange gazeux sans oxygène.

2) La pression gazeuse à l'intérieur du four est maintenue supérieure à la pression atmosphérique extérieure, et les points d'entrée et de sortie des fibres sont scellés pour empêcher l'oxygène d'entrer.

3.4 Traitement de surface

Après carbonisation, les fibres ont une surface qui ne se lie pas bien aux époxydes et autres matériaux utilisés dans les composites. Pour donner aux fibres de meilleures propriétés d'adhérence, leur surface est légèrement oxydée.

3.5 Enduction (Sizing)

1) Après le traitement de surface, les fibres sont enduites pour les protéger des dommages lors du bobinage ou du tissage. Ce processus s'appelle l'enduction.

Les matériaux d'enduction sont choisis pour être compatibles avec l'adhésif utilisé pour former les matériaux composites. Les matériaux d'enduction typiques incluent l'époxy, le polyester, le nylon, l'uréthane, etc.

2) Les fibres enduites sont bobinées sur des cylindres appelés bobines. Les bobines sont chargées dans une machine à filer et les fibres sont torsadées en fils de différentes tailles.

Voici les informations de base sur le processus de fabrication des fibres de carbone, nous espérons qu'elles vous seront utiles. N'hésitez pas à laisser un commentaire ci-dessous si vous avez des questions.

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