La fabrication des fibres de carbone

Résumé du document

Les fibres de carbone entrent dans la composition des composites à hautes performances (HP).
Ces composites sont constitués par les couples résine / fibre de carbone, de verre ou d'aramide. Ils sont caractérisés par des propriétés mécaniques spécifiques élevées et un coût unitaire important. Ce sont les plus employés en aéronautique et dans le spatial. Ce sont les avionneurs civils et militaires français qui ont ressenti les premiers l'intérêt pour les fibres de carbone, vers 1975. Ceci est concrétisé aujourd'hui par l'utilisation de ces produits dans les avions de la gamme AIRBUS, pour ne citer que ceux-là.
La fibre de carbone est obtenue par pyrolyse d'une fibre organique appelée précurseur. On distingue trois types de fibre : Fibre obtenue à partir de rayonne (faible résistance, coût). Fibre obtenue à partir de BRAI (bas de gamme). Fibre obtenue à partir de PAN-Polyacrylonitrile-(CH2-CH-CN

Extraits

[...] La whiskérisation est un exemple de procédé physique qui permet la création de fibrilles à la surface des monofilaments qui serviront de d'agents de liaison. L'oxydation est un procédé chimique qui permet une meilleure adhérence par la création de fonctions chimiques polaires à la surface de ces fibres Ensimage Grâce à un agent d'ensimage, la résistance au frottement est améliorée par la liaison des monofilaments d'une mèche. Il permet également la diminution de la formation de »bourres et facilite la mise en œuvre de la fibre de carbone lors des opérations d'enroulement, de tissage et de pré-imprégnation Comparaison des fibres de carbone ex-PAN et ex Brai Les fibres ex-brai sont encore actuellement produites au stade pilote ou semi-industriel. [...]

[...] Page Traitements thermiques . Page Oxydation . Page Carbonisation et graphitisation . Page Fibres obtenues à partir de PAN Page Précurseur . Page Traitements thermiques . Page Oxydation . Page Carbonisation . Page Graphitisation . [...]

[...] Chaque fabricant utilise un solvant du PAN et une solution coagulante différente. Ces choix, liés aux procédés, sont importants car ils déterminent la pureté du PAN qui est directement liée à sa stabilité thermique. La forme et le diamètre du monofilament dépendent de la forme et du diamètre de la filière utilisée ainsi que du couple solvant/solution coagulante. Différents degrés de régularité de surface peuvent être obtenus selon le solvant et la solution coagulante utilisés La nature des impuretés métalliques présentes dans la fibre de carbone dépend des impuretés présentes dans le PAN précurseur et des sels utilisés lors de la fabrication du précurseur. [...]

[...] Lorsque la température de carbonisation ou de graphitisation croît, le module de traction des fibres augmente, mais, sans passage par un maximum de la résistance en traction (contrairement aux fibres de carbone ex-PAN). Le faible retrait des fibres n'oblige pas à les maintenir sous une tension élevée, mais une tension minimale est nécessaire pendant le procédé. Dans cette étape, seulement 20 à de la masse de brai oxydé sont éliminés sous forme de gaz. Ces gaz sont surtout constitués de dérivés carbonés. Après carbonisation, les fibres de carbone ex-brai possèdent un taux de carbone supérieur à celui des fibres de carbone obtenues à partir de PAN. [...]

[...] Tableau 1 Propriétés mécaniques en traction des fibres de carbone fabriquées entre 1960 et 1974 à partir de fibres de rayonne Produit Module de traction Résistance en traction Producteur Commercialisé (GPa) (MPa) Thornel Thornel Union Carbide Thornel Thornel Fibres obtenues à partir de brai (english : pitch) 2.1 Précurseur Le brai est issu de résidus de houille ou de pétrole. C'est un mélange d'hydrocarbures aromatiques. Brai de houille Le brai peut être filé et former des fibres. Ces fibres sont cependant très fragiles et difficiles à manipuler, comparativement aux fibres de PAN. [...]