Types de fibres de carbone et processus de fabrication

Fibres de carbone  (FC) sont des fibres d'environ 5 à 10 micromètres de diamètre et composées principalement d'atomes de carbone.

Les fibres de carbone présentent plusieurs avantages :

• haute rigidité ,
• haute résistance à la traction ,
• faible poids et
• haute résistance chimique .

Après avoir lu cet article, vous connaîtrez la principale classification de fibres de carbone, quelles matières premières sont nécessaires et découvrez son processus de fabrication détaillé.

Cela étant dit, vous pouvez rapidement distinguer la qualité des produits en fibre de carbone et maîtriser plus efficacement l'ensemble du processus de fabrication.

1. La classification générale des fibres de carbone

A. Basé sur le module de traction

Module de traction de la fibre est le critère clé pour classer les fibres de carbone.

Fondamentalement, le module de traction est l'abréviation de "module d'élasticité ", ce qui signifie une mesure de la rigidité d'une fibre d'un certain diamètre, ou de la résistance à l'étirement, plus le nombre est élevé, plus la fibre est rigide.

B. Basé sur l'ordre croissant du module de traction

Autres classifications, par ordre croissant de module de traction, comprennent « 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 1,0 milliard de kPa. À titre de comparaison, l'acier a un module de traction d'environ 200 millions de kPa. Par conséquent, la fibre de carbone la plus résistante est environ cinq fois plus résistant que celui de l'acier .

2. Quelles matières premières sont nécessaires au processus de 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 .

B. Rayonne ou brai de pétrole

Ensuite, les 10 % restants sont issus de rayonne ou brai de pétrole . Tous ces matériaux sont des polymères organiques, caractérisés par de longues chaînes de molécules liées entre elles par des atomes de carbone.

C. Gaz et liquides

Au cours du processus de fabrication, une variété de gaz et liquides sont indispensables.

Certains de ces matériaux doivent réagir avec la fibre pour obtenir un effet spécifique. Cependant, d'autres matériaux n'ont pas besoin de réagir ou d'empêcher certaines réactions avec la fibre.

Comme pour les précurseurs, les compositions exactes de bon nombre de ces matériaux de procédé sont des secrets commerciaux.

3. Le processus de fabrication de la fibre de carbone

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

Le précurseur est étiré en longs brins ou fibres, puis chauffé à très haute température pour éviter qu'il n'entre en contact avec l'oxygène.

Sans l'oxygène , la fibre ne peut pas brûler. Au lieu de cela, la température élevée fait vibrer violemment les atomes de 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 longues chaînes d'atomes de carbone étroitement imbriquées avec seulement quelques atomes non-carbone restants.

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

3.1 Tourner

1) Mélanger poudre de plastique d'acylonitrile avec un autre plastique (acrylate de méthyle ou méthacrylate de méthyle).

2) A réagi 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 étiré .

3.2 Stabilisation

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

2) Accomplir la stabilisation en chauffant les fibres dans l'air à environ 200-300° C (390-590 °F) pour 30-120 minute.

3.3 Carbonisation

1) Une fois le processus de stabilisation terminé, 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 ne contenant pas d'oxygène.

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

3.4 Traitement de la surface

Après carbonisation, les fibres ont une surface qui ne colle pas bien avec les époxys et autres matériaux utilisés dans les matériaux composites. Pour donner aux fibres de meilleures propriétés de liaison , leur surface est légèrement oxydé .

3.5 Dimensionnement

1) Après le traitement de surface, les fibres sont enduites pour les protéger des dommages lors du bobinage ou du tissage. Ce processus est appelé dimensionnement .

Les matériaux de revêtement sont choisis pour être compatibles avec l'adhésif utilisé pour former les matériaux composites. Matériaux de revêtement typiques comprennent l'époxy, le polyester, le nylon, l'uréthane et autres.

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

Ce sont les informations de base sur le processus de fabrication des fibres de carbone et nous espérons sincèrement que cela vous sera utile. N'hésitez pas à laisser votre commentaire ci-dessous si vous avez des questions.

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