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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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Propriétés des fibres de carbone
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1. Procédés de fabrication des fibres de carbone
1.1 Fibres de carbone pour usages thermiques
Les premières fibres de carbone étaient fabriquées à partir de tresses, de tissus ou d'un mat de fibres de rayonne, l'ensemble étant fixé sur un cadre rigide et chauffé, dans une première étape, à 1 000-1 500 °C pour transformer la cellulose en carbone sous atmosphère inerte, puis éventuellement à 2 000-2 500 °C pour obtenir une meilleure résistance à l'oxydation à température élevée. Aucune tension particulière n'était appliquée pendant le traitement thermique ; c'est pourquoi les propriétés mécaniques des fibres de carbone obtenues n'étaient pas aussi élevées que celles obtenues aujourd'hui à partir d'un précurseur sous tension contrôlée pendant le traitement thermique vers 1 500 °C.
De plus hauts modules et de plus hautes ténacités furent en effet obtenus en augmentant la tension et les températures [1] du traitement thermique (tableau 1). La production de ces fibres ex-rayonne cessa lorsqu'elles perdirent leur compétitivité économique vis-à-vis des fibres de carbone obtenues à partir de polyacrylonitrile (PAN) et de brais mésophases (§ 1.2). Les principales raisons en étaient le faible rendement de carbonisation (20 %) et le coût élevé des procédés.
Ces fibres de carbone n'ont conservé un intérêt que pour les usages thermiques lorsqu'elles sont produites sans tension. En effet, l'intérêt de ce type de précurseur est qu'il ne nécessite aucun traitement avant la carbonisation, car il ne passe pas par une phase liquide.
HAUT DE PAGE
Le brai est issu de résidus de houille ou de pétrole. C'est un mélange d'hydrocarbures...
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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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