Matériau en fibre de carbone - Le guide ultime pour les débutants et les experts

Les matériaux en fibre de carbone sont largement utilisés en raison de leurs propriétés supérieures. Cependant, de nombreuses personnes ont une connaissance limitée de ce matériau haute performance. Ce guide analyse en profondeur la fibre de carbone : son histoire, ses propriétés, ses avantages et inconvénients, ses procédés de production et ses applications. Il est conçu pour vous aider à mieux comprendre la fibre de carbone et à mieux servir vos projets et votre secteur d'activité.

1. Qu'est-ce que la fibre de carbone ?

La fibre de carbone, également appelée fibre de graphite, est une fibre haute performance contenant plus de 901 TP3T de carbone. Il s'agit d'une structure fibreuse composée de filaments allongés de cristaux de carbone. Elle est constituée de fins faisceaux de fibres fabriqués à partir de polymères précurseurs (tels que le PAN, la rayonne ou le bitume de pétrole) qui sont oxydés à basse température et carbonisés à haute température.

2. L'histoire de la fibre de carbone

La fibre de carbone existe depuis plus de 150 ans, depuis son invention par Joseph Swan en 1860. Après environ un siècle de développement, en 1960, HI Thompson Fiberglas Company a inventé un nouveau procédé qui a progressivement amélioré et optimisé les propriétés des matériaux en fibre de carbone. Depuis le XXIe siècle, la fibre de carbone est de plus en plus utilisée dans divers domaines de haute technologie pour son excellent rapport résistance/poids et sa résistance aux hautes températures.

3. Comment la fibre de carbone est-elle fabriquée ?

Bien qu'un siècle et demi se soit écoulé depuis l'invention de la fibre de carbone, son procédé de production reste méconnu. En raison de ses secrets commerciaux fondamentaux, de nombreux producteurs gardent le secret de sa fabrication. Nous vous proposons un aperçu détaillé du processus de production de la fibre de carbone. Vous bénéficierez ainsi de conseils techniques et d'un soutien pour en tirer le meilleur parti.

Étant donné que les fibres de carbone sont souvent transformées en composites pour une large gamme d'applications, leur processus de production est généralement divisé en deux parties :

Préparation du filament brut : implique des processus physiques et chimiques complexes.

• Préparation des précurseurs – Filage : Des polymères précurseurs tels que le PAN, la rayonne ou l'asphalte sont filés pour former des câbles en fibres de carbone en forme de fil.
• Oxydation et stabilisation : Les filaments sont chauffés dans un environnement stable contenant de l'oxygène à environ 300-500 °C. Cela détruit les atomes d'hydrogène et stabilise les atomes d'oxygène.
• Carbonisation:  Les fibres de carbone oxydées sont ensuite carbonisées à haute température (environ 2 000 °C) sous atmosphère de gaz inerte. Cela permet d'accroître encore leur résistance.
• Finition de surface : Les fibres de carbone carbonisées présentent une surface très lisse. Pour une meilleure adhérence à l'époxy ou à d'autres résines, elles doivent être activées.
• Dimensionnement et enroulement : La surface du filament en fibre de carbone est très fragile, elle est donc recouverte de résine pour protéger sa surface et finalement enroulée sur une bobine pour un traitement ultérieur.

Fabrication de composites en fibres de carbone :

• Pré-imprégnation : Le tissu en fibre de carbone, ou câble, doit être pré-imprégné de résine époxy, un matériau thermodurcissable, pour garantir que la résine s'infiltre dans les interstices du câble en fibre.
• Formage à haute température : le tissu en fibre de carbone pré-imprégné doit passer par un formage par pultrusion, un processus d'enroulement, un formage par enroulement de filaments, un formage par presse à chaud, un formage par ensachage RTM/sous vide, un formage par presse et un formage au four.

Enfin, on peut faire :

• Plaques, panneaux et planches en fibre de carbone
• tube en fibre de carbone
• tiges en fibre de carbone
• Pièces, composants et profils en fibre de carbone : tels que tubes octogonaux, tubes hexagonaux, pièces de drone, pièces automobiles, cadres de vélo et tubes de diverses formes.

4. Avantages et inconvénients

Une compréhension complète des avantages et des inconvénients de la fibre de carbone peut vous aider à mieux éviter les risques dans le développement, la conception, la production, etc. des produits et à améliorer les performances de votre produit.

Avantages

• Faible densité : Sa densité est d'environ 1,5-1,8 g/cm³, soit seulement 1/3 de celle de l'aluminium, son poids est donc bien inférieur à celui des autres métaux.
• Haute résistance et rigidité : Il peut résister aux charges de traction et d'extrusion externes sans déformation ni flexion.
• Résistance chimique : La fibre de carbone peut rester stable et non corrosive dans de multiples environnements acides et alcalins et convient à divers environnements humides et difficiles.
• Résistance à la fatigue : La fibre de carbone peut résister à des charges de contrainte cycliques alternatives sans déformation ni dégradation significative des performances.
• Résistance aux hautes températures : Stable dans des environnements jusqu'à 2000℃.
• Faible dilatation thermique : Des études ont montré qu’il est dimensionnellement stable à des températures extrêmement basses et élevées.

Les avantages de la fibre de carbone sont incontestables, mais elle présente également de nombreux inconvénients qui limitent le développement ultérieur.

• Coût élevé : Le coût élevé des matières premières, la complexité du processus de production et la forte consommation d'énergie expliquent également le coût élevé du tissu en fibre de carbone.
• Difficulté de recyclage : L'absence de technologie et d'équipement de recyclage matures complique le recyclage de la fibre de carbone. De plus, la résistance de la fibre de carbone recyclée est inférieure à celle de la fibre précédente.
• Difficultés de traitement : La fibre de carbone nécessite deux processus : la production de soie brute et la production de matériaux composites, chacun étant très difficile et exigeant.

5. Types de fibres de carbone

La fibre de carbone se décline en de nombreuses variétés et ses normes de classification sont multidimensionnelles. Vous pouvez choisir les produits en fibre de carbone adaptés à votre secteur d'activité et aux besoins de votre projet.

Basé sur le matériau du filament brut :

• Fibre de carbone à base de PAN : C'est le type le plus courant, carbonisé à partir de PAN.
• Fibre de carbone à base d'asphalte : Carbonisé à partir de précurseurs d'asphalte de pétrole ou de goudron de houille.
• Fibre de carbone à base de rayonne : Fabriqué en rayonne (fibre de viscose).

Module de traction basé sur les performances :

• Fibre de carbone à module d'élasticité standard (HS) : Module d'élasticité 240-300 GPa, résistance à la traction estimée à au moins 2 500 MPa ou plus.
• Fibre de carbone à module intermédiaire (IM) : Module d'élasticité 300-350 GPa, résistance à la traction égale ou supérieure à 3 500 MPa.
• Fibre de carbone à haut module (HM) : Module d'élasticité 350-500 GPa, résistance à la traction au moins 2 500 MPa.
• Fibre de carbone à très haut module (UHM) : Module d’élasticité > 500 GPa, résistance à la traction 2 500 MPa ou plus.

Par forme de fibre :

• Filament continu en fibre de carbone : Il existe généralement sous forme de fil ou de tissu et est utilisé pour les applications de matériaux composites.
• Fibre de carbone hachée : Généralement de quelques millimètres ou centimètres de longueur, utilisé pour le moulage ou le moulage par injection.
• Tapis en fibre de carbone : Fabriqué à partir de fibres courtes disposées de manière aléatoire, généralement dans un état non tissé.

Tissus en fibre de carbone basés sur les types de tissage :

• Armure sergée : Présente un motif diagonal et possède de meilleures propriétés de drapage.
• Tissage uni : Une méthode de tissage simple avec chaîne et trame entrelacées, motif en damier, bonne stabilité et facile à manipuler.

Tissage satiné : Surface lisse, brillante, adaptée aux surfaces courbes complexes.

6. Applications multiples du matériau en fibre de carbone

La fibre de carbone est un matériau composite avancé de haute qualité, avec ses excellentes performances uniques et sa demande croissante sur le marché. Elle élargit sa gamme d'applications dans divers domaines, de la haute technologie à la vie quotidienne. Notre guide d'application de la fibre de carbone peut fournir de nouvelles directions d'exploration à votre équipe de R&D et vous aider à mieux comprendre et à répondre aux demandes des clients en matière de produits en fibre de carbone légers et à haute résistance.

• Aérospatial: Tels que les corps et les hélices des drones, les composants structurels des engins spatiaux et les systèmes de protection thermique
• Automobile: Pièces automobiles telles que panneaux de carrosserie et châssis, arbres de transmission et systèmes de suspension
• Dispositifs médicaux : Supports et lits pour appareils à rayons X, prothèses et orthèses
• Équipements de sports de plein air : Composants de vélo, bâtons de randonnée, bâtons de ski, rames
• Equipement industriel : Tels que des bras robotisés, des pièces de robot et des trépieds pour l'arpentage et la prise de vue.

7. Conclusion

Les caractéristiques uniques de légèreté et de haute résistance de la fibre de carbone la rendent utilisée dans l'aérospatiale, la fabrication automobile, les équipements médicaux et d'autres domaines, malgré le coût élevé, les difficultés du processus de production et d'autres limitations, mais elle a occupé une place dans divers domaines de haute technologie. Par conséquent, choisissez des matériaux en fibre de carbone comme projet ou domaine, cela améliorera considérablement les performances de vos produits.

FAQ:

1. La fibre de carbone rouille-t-elle ?
Parce qu'il est principalement composé de carbone et ne contient pas de métaux ni d'autres éléments sujets à la rouille, la fibre de carbone ne rouille pas facilement et présente une excellente résistance à la corrosion.

2. La fibre de carbone est-elle un matériau composite ?
La fibre de carbone est en elle-même un matériau unique, et non un composite. Cependant, elle est généralement associée à des polymères thermodurcissables (comme la résine époxy) pour fabriquer des matériaux composites

3. Qu'est-ce qu'un composite en fibre de carbone ?
Les composites en fibre de carbone, également connus sous le nom de polymères renforcés en fibres de carbone, sont des matériaux composites renforcés à haute résistance formés en traitant un substrat en fibre de carbone et des polymères thermoplastiques (tels que la résine époxy) à haute température.

4. Quelles sont les performances potentielles des composites en fibre de carbone ?
Les matériaux CFRP se distinguent parmi beaucoup d'autres en raison de leur excellent rapport résistance/poids, de leur résistance à la traction et de leur rigidité élevées, ainsi que de leur résistance aux températures élevées et à la corrosion.

5. Quel est le processus de fabrication des composites en fibre de carbone ?
Les méthodes de fabrication de composites en fibre de carbone comprennent le préimprégné, le moulage par transfert de résine, l'ensachage sous vide, le moulage par compression, la pultrusion et l'enroulement filamentaire.

Plus de ressources

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers –Ressource de Wikipédia

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/carbon-fiber –Ressource de Sicencedirect