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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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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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Principales applications
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3. Matériaux particuliers
3.1 Composites carbone/carbone
Comme leur nom l'indique, il s'agit de matériaux dont le renfort est la fibre de carbone, la matrice étant du carbone. Le renfort de fibres de carbone est sous forme de tissu, feutre ou mat. Certains procédés partent de textures en PAN oxydé qui subissent ensuite un cycle de carbonisation [27] après mise en forme. Il n'est pas question ici d'entrer dans le détail des technologies de fabrication de ces matériaux. Nous en indiquons cependant les grandes lignes (figure 11) et voir [52].
La matrice carbone peut être déposée par deux technologies différentes :
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Par imprégnation de brais liquides ou de résines phénoliques. Une pyrolyse sous atmosphère neutre permet, au cours de cycles successifs, de densifier soit à basse pression et à haute température, soit à haute pression et à des températures très élevées. Ces cycles sont destinés à remplir de carbone amorphe les interstices entre les fibres.
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Par dépôt chimique de carbone en phase vapeur (DCPV). Dans ce procédé, chaque cycle successif comporte le craquage thermique d'un hydrocarbure léger sous pression à haute température et un écroûtage intermédiaire. L'adhérence de la matrice carbone sur les fibres de carbone est obtenue au cours des imprégnations et des cuissons successives.
Les propriétés recherchées des composites carbone/carbone sont, outre la faible masse volumique du matériau (entre 1,5 et 2 g/cm3), essentiellement des propriétés thermomécaniques hors du commun jusqu'à des températures de plus de 2 000 °C (tableau 9) :
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bonne résistance à l'abrasion oxydante ;
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bonne tenue aux chocs thermiques (passages possibles de la température ambiante à plus de 2 000 °C dans les applications freinage) ;
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coefficient de frottement élevé ;
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très grande conductivité thermique (double de celle de l'acier).
3.2 Fibres de carbone métallisées
Les plus classiques sont les fibres de carbone nickelées...
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Matériaux particuliers
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.
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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 1) montre un bon équilibrage entre les États-Unis et l'Europe, à...
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