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Fil de carbone

par sylv131, le 04/01/2008 à 16:17 - 12749 visites

Bonjour le guichet du savoir.

Je vous souhaite tout d'abord une bonne année. Vous m'avez aiguillé dans une recherche sur le processus de fabrication du tissu en carbone il y a quelques mois et je vous en remercie. Je recherche toujours des informations sur ce sujet et plus précisement sur l'orgine du fil. Vos références m'ont amené vers le site TIME-SPORT qui travaille les fibres de carbone. Je n'ai malheuresement pas trouvé d'info sur la provenance et les fabrication du fil à l'origine du tissus. Auriez-vous des informations à me fournir à ce sujet?

Merci par avance
Sylvain

Réponse du Guichet du savoir

par bml_sci, le 05/01/2008 à 10:29

Réponse du département Sciences et Techniques


Le matériau carbone consacre un chapitre aux fibres de carbone :

[i]Qu'est-ce qu'une fibre de carbone ?

Les fibres de carbone ne peuvent être élaborées comme les fibres métalliques, de verre, de quartz ou de polymères puisque le carbone ne fond pas, n'est pas malléable et est parfaitement indifférent à l'action des solvants.

Elles résultent, comme toutes les formes du matériau carbone, de la pyrolyse contrôlée d'un précurseur organique.

Le précurseur devra simplement être lui-même sous la forme d'une fibre. La carbonisation, lorsqu'elle est effectuée sur un précurseur infusible (ou rendu tel) conserve en effet sa conformation. Ceci permet d'ailleurs d'obtenir, non seulement des fibres, mais des tissus ou des feutres en carbone à partir de fibres, feutres ou tissus textiles.

Les tissus, feutres ou fibres isotropes ainsi obtenus n'ont que des caractéristiques mécaniques moyennes mais trouvent déjà beaucoup d'emplois.
Cependant, dans le langage courant, l'appellation " fibres de carbone" évoque essentiellement les fibres à hautes caractéristiques mécaniques dont la résistance dépasse celle des meilleures aciers avec l'avantage d'une densité quatre fois plus faible.

Ces fibres sont utilisées pour la fabrication de composites largement employés par les industries aéronautiques et spatiales mais aussi pour la production d'articles de sport ou de composants industriels. Elles se présentent commercialement sous forme de bobines de fils de plusieurs centaines de mètres de longueur. Chaque fil est constitué de 1000 à 10 000 filaments de 5 à 12 microns de diamètre.[/i]
.....

En ce qui concerne les procédés de fabrication :

Les fibres de carbone : procédés de fabrication et principales utilisations

[i]Le procédé fabrication des fibres passe par plusieurs étapes :

· la matière première : l’Acrylonitrile (un sous-produit du pétrole) subit une dissolution par un solvant, puis une polymérisation, un filage et des traitements spécifiques pour obtenir le PolyAcryloNitrile (PAN) que l’on nomme aussi précurseur.

· Le PAN passe ensuite par une phase de stabilisation et de réticulation par injection d’oxygène à 200-300°C (le PAN devient alors infusible), puis par une phase de carbonisation en atmosphère inerte entre 1200 et 1500°C (la fibre acquiert sa résistance). Cette phase de carbonisation ne dure que quelques minutes.

· Deux possibilités à ce stade :
- Fibres de carbone standard (Fibre Haute Résistance et Module Intermédiaire):
traitement de surface par électrolyse pour permettre l’accrochage des résines
(ensimage), puis gainage par résine époxy avant bobinage.
- Fibres de carbone haute résistance (Fibres Haut Module) : graphitisation
(cristallisation) à environ 2000°C, puis traitement de surface, gainage et bobinage.

La matière première qui vaut de l’ordre de 2 Euros/Kg donne naissance à des produits qui valent alors de 200 à 1000 Euros/kg.[/i]

Un schéma explique ensuite les procédés de transformation.

Fibres de carbone : matières premières

[i]MATIERES PREMIERES : elles sont fabriquées à partir de précurseurs chimiques (fibres synthétiques, brai de charbon ou de pétrole). La plus grande partie de la production est réalisée à partir de polyacrylonitrile (PAN : (CH2-CH-CN)n).

FABRICATION : les fibres de carbone ont quelques mm de diamètre. Les fibres de PAN sont d'abord oxydées, à l'air, vers 200-300°C pendant 1 à 2 heures.

La carbonisation a lieu vers 1000-1500°C, sous atmosphère de diazote, pendant quelques minutes. Le produit obtenu, amorphe, contient 90 % de carbone et de l'ordre de 8 à 10 % d'azote, environ 1 % d'oxygène et moins de 1 % d'hydrogène. Il possède une résistance élevée (3000 à 6000 MPa) mais un faible module élastique (200 à 330 GPa) et peut être, après traitement de surface, utilisé.

Un traitement complémentaire de graphitation à 2500-3000°C, pendant 1 minute, donne des fibres, cristallisées sous forme graphite, à 99 % de carbone et possédant un module élastique élevé (350 à 600 GPa) et une résistance moindre (2000 à 5000 MPa). Afin de faciliter la liaison future des fibres avec leur matrice, un traitement d'oxydation de surface, généralement électrolytique, est réalisé.[/i]
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