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NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme NF EN ISO 472 d'avril 2013 citée dans cet article a été remplacée par la norme NF EN ISO 472/A1 (T50-100/A1) "Plastiques - Vocabulaire - Amendement 1 : termes supplémentaires" (Révision 2018)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN1901 (janvier 2019).
RÉSUMÉ
Ces dernières décennies, l'utilisation des fibres de carbone s'est développée dans les matériaux composites utilisés comme matériaux à hautes performances avec des propriétés en traction, cisaillement et compression. Les fibres actuellement sur le marché se divisent essentiellement en deux catégories, les fibres de carbone fabriquées à partir de polycrylonitrile (PAN) et celles fabriquées à partir de brais mésophases, mélange de houille et de pétrole. Les dernières, plus anciennes, sont utilisées pour la production de textile de carbone à usages d'isolation haute température, concurrençant ainsi les matériaux issus de rayonne. Quant aux fibres de carbone, leurs caractéristiques et leurs bas coûts de production les prédestinent préférentiellement à la fabrication de matériaux de renforcement.
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In recent decades, the use of carbon fiber has been developed in composite materials used as high performance materials characterized by their tension, compression and shear properties. The fibers currently on the market are primarily divided into two categories; the carbon fibers produced from polyacrylonitrile (PAN) and those produced from mesophase pitches, a mixture of coal and oil. The latter, the oldest, are used for the production of textile carbons for high-temperature insulation purposes, thus competing against rayon-derived materials. As for carbon fiber, their characteristics and low production costs means that they are preferentially predestined to the manufacture of reinforcement materials.
Auteur(s)
-
Guy DUPUPET : Ingénieur ENSIC (Nancy), docteur ès sciences physiques - Directeur industriel de la Société des fibres de carbone (SOFICAR)
INTRODUCTION
Si les premières fibres de carbone ont fait leur apparition en 1880, grâce à T. Edison, comme filament dans une lampe à incandescence, elles ont été réinventées vers 1955 par la National Carbon Company aux États-Unis et le groupe industriel Carbone Lorraine en France, par traitements thermiques de fibres ou de tissus de rayonne afin d'obtenir des textures carbonées pour des applications thermiques.
Entre 1960 et 1970, les recherches se sont orientées sur l'obtention de fibres de carbone à haut module et à haute ténacité. Union Carbide a développé des travaux sur les fibres de rayonne en améliorant l'orientation et les tensions pendant la carbonisation. En parallèle, Shindo, de l'Institut de Recherche Industrielle d'Osaka (Japon), et Watt et Philipps, de l'Atomic Energy Research Establishment de Harwell (Grande-Bretagne), découvraient la possibilité d'obtenir des fibres de carbone à haute résistance et haut module à partir de polyacrylonitrile.
Toray (au Japon), trois sociétés anglaises (Morgan Crucible, Rolls Royce et Courtaulds) et Carbone Lorraine en France (en collaboration avec Rhône-Poulenc Textile) commencèrent l'industrialisation des fibres de carbone à partir de polyacrylonitrile vers les années 1970.
À la même époque Union Carbide travaillait sur l'obtention de fibres de carbone à haute résistance et à haut module à partir de brais de mésophase tandis que Kureha au Japon et le Cerchar (Centre d'études et de recherche des charbonnages) en France développaient des fibres de carbone pour applications thermiques à partir de brais isotropes.
Aujourd'hui, les fibres de carbone de renforcement se sont développées principalement à partir de polyacrylonitrile (PAN). Le brai de mésophase reste un précurseur utilisé dans le cas de module très élevé.
Quant au brai isotrope, son utilisation est devenue très importante pour produire des textiles de carbone à usages d'isolation haute température, concurrençant ainsi les matériaux issus de rayonne.
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Procédés de fabrication des fibres de carbone
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5. Conclusion
Si les fibres de carbone ex-brai isotrope se sont développées très largement pour les applications thermiques, les fibres de carbone ex-PAN l'emportent nettement sur les fibres ex-brai de mésophase dans le domaine des fibres de renforcement. En effet, les coûts de production des fibres ex-PAN sont plus compétitifs que les coûts de production des fibres ex-brai de mésophase. Ces dernières ne restent compétitives que pour les fibres à très haut module d'élasticité.
Les propriétés des fibres de carbone ex-PAN ont été grandement améliorées, de même que la connaissance des bureaux d'études composites.
De nombreuses applications à base de fibres de carbone restent à développer. Il ne s'agit certes pas de vouloir utiliser des fibres de carbone dans n'importe quelle application ; la considération du rapport performance/coût reste prépondérante en y intégrant tous les coûts de fabrication, de contrôle et de maintenance.
Tous les futurs programmes aéronautiques seront non seulement à base de composites à fibres de carbone, mais aussi à base de composites à renfort de carbone associé à d'autres fibres dont les caractéristiques sont complémentaires. Concernant d'autres marchés potentiels, nous citerons les nombreux tests en cours dans l'industrie pétrolière off-shore [45][46], le bâtiment [41] et les transports [34].
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Conclusion
ANNEXES
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Prix des fibres de carbone
Ils dépendent fortement de la qualité des fibres de carbone, des coûts de contrôle et d'essais exigés par les clients.
On peut donner une échelle des prix de vente de 20 à 150 euros/kg en restant dans des catégories de fibres de carbone classiques, c'est-à-dire sans aller vers les fibres très « spécifiques » à module très élevé.
-
Évolution du marché des fibres de carbone base PAN
Les fibres de carbone obtenues à partir d'une base PAN (polyacrylonitrile) ont accentué leur domination sur les fibres obtenues à partir des bases brai de mésophase et autres matières premières (rayonne, résidus pétroliers, etc.).
L'évolution du marché des fibres de carbone (figure ) montre un bon équilibrage entre les États-Unis et l'Europe, à la fois en termes de quantités et de...
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