Fibre de carbone

Fibre de carbone
Tissu de fibres de carbone
Partie arrière de la carrosserie d'une voiture de Champ Car en fibres de carbone
Frein carbone d'Airbus A330/A340

La fibre de carbone est un matériau se composant de fibres extrêmement fines, de 5 à 15 micromètres de diamètre, et composé principalement d'atomes de carbone. Ceux-ci sont agglomérés dans des cristaux microscopiques qui sont alignés plus ou moins parallèlement à l'axe long de la fibre. L'alignement des cristaux rend la fibre extrêmement résistante pour sa taille. Plusieurs milliers de fibres de carbone sont enroulées ensemble pour former un fil, qui peut être employé tel quel ou tissé.

Les fibres de carbone sont caractérisées par leur faible densité (1,7 à 1,9), leur résistance élevée à la traction et à la compression, leur flexibilité, leurs bonnes conductivités électrique et thermique, leur tenue en température et leur inertie chimique (sauf à l’oxydation).

Sommaire

Fabrication de fibres de carbone à base de PAN (polyacrylonitrile)

Voici comment produire des fibres de carbones à partir de précurseurs à base de polyacrylonitrile. Tout d'abord, il y a l'oxydation des fibres de PAN pendant une à deux heures, à l'air et à une température de deux cents à trois cents degrés. Puis, la carbonisation à lieu sous un atmosphère de diazote, à une chaleur de mille à mille cinq cents degrés pendant seulement quelques minutes. Une fois ces étapes complétés, nous obtenons des fibres de carbone un matériau composé à 90 % de carbone, environ 8 % d'azote, 1 % d'oxygène et moins de 1 % d'hydrogène. Il est aussi possible de faire une étape supplémentaire, celle de la graphitation. Elle nécessite une température de deux milles cinq cents à trois milles degrés pour une durée d'environ une minute. Cette dernière étape sert à avoir un matériau composé à 99 % de carbone, ce qui le rend considérablement plus maléable, mais aussi moins résistant [1].

Utilisations

La fibre de carbone est utilisée pour renforcer les matériaux composites. Ce type de matériau est utilisé dans toutes applications exigeant une grande résistance mécanique pour un poids réduit. Exemples :

La fibre de carbone est aussi employée pour :

  • les véhicules de compétition ; en tuning ;
  • les industries aéronautique et spatiale : avions de chasse, Dreamliner... ;
  • les avions et hélicoptères haut de gamme, en modélisme aérien ;
  • les équipements sportifs notamment en aviron pour les bateaux et les rames, les arcs sportifs et flèches, raquettes de tennis, mâts/ wishbones de planches à voile ;
  • les cadres des vélos de compétition sur route et vélos tout terrain ;
  • certains archets de violons et violoncelles, parfois même certains instruments à cordes (violons, altos, violoncelles, guitares...) ;
  • des planeurs, voiliers de compétition ;
  • les tubes de télescope, grâce à son faible coefficient de dilatation ;
  • des cannes à pêche ;
  • des freins hautes performance (Formule 1, aéronautique) ;
  • filtrer les gaz à haute température ;
  • comme électrode à large surface pour sa grande résistance à la corrosion ;
  • comme composant anti-électrostatique dans les vêtements à hautes performances ;
  • comme renforcement des structures en béton armé par collage de tissu en fibre de carbone ;
  • comme constituant d'un matériau de remplacement de l'ébène dans la fabrication d'instruments à vent. Exemple : les clarinettes et hautbois Green Line (Buffet Crampon)[2].

Inconvénients

  • Une mauvaise résistance à l'abrasion et aux chocs.
  • Leur recyclage (broyage problématique).
  • Leur conductivité, de nombreuses électrocutions ont frappé des pêcheurs après avoir heurté une ligne électrique avec leur canne ; ou des marins en manœuvrant le mât de leur voilier.
  • Cette fibre provoquerait sous certaines formes des risques de cancer du poumon (plèvre), sa structure étant proche de celle de l'amiante.

Notes et références

  1. (en) Peter Morgan, Carbon fibers and their composites, Taylor and Francis, 2005, 1153 p. 
  2. Histoire de Buffet crampon sur le site buffet-crampon.com (archivé).

Annexes

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