Fibra de carbon este format din fibră extrem de fine, aproximativ cinci până la zece microni în diametru, și este compus în principal din carbon atomi . Acestea sunt aglomerate în cristale microscopice care sunt aliniate mai mult sau mai puțin paralele cu axa lungă a fibrei. Alinierea cristalelor face fibra extrem de puternică pentru dimensiunea sa. Câteva mii de fibre de carbon sunt înfășurate împreună pentru a forma un fir, care poate fi folosit ca atare sau țesut .
Acest material se caracterizează prin densitatea redusă (1,7 până la 1,9), rezistența ridicată la tracțiune și compresiune, flexibilitatea, conductivitatea electrică și termică bună , rezistența la temperatură și inerția chimică (cu excepția oxidării).
Utilizarea sa principală este de a servi ca armare în materialele compozite , ceea ce face posibilă obținerea pieselor cu proprietăți mecanice bune, fiind în același timp mai ușoare decât piesele metalice.
Prima aplicare a fibrelor de carbon a fost în dezvoltarea firelor pentru lămpi cu incandescență. Joseph Swan a produs primele fibre în 1860. Au fost mai întâi filamente de hârtie carbonizată, apoi a îmbunătățit calitatea firelor de carbon folosind fibre de bumbac carbonizate. Din 1879, Thomas Edison a folosit fibre de bambus carbonizate la temperaturi ridicate. În 1880, Lewis Latimer a îmbunătățit procesul lui Thomas Edison pentru obținerea unor filamente de carbon fiabile, rezultând timpi de funcționare a becului de câteva sute de ore. Din 1892, iluminatul electric va fi abandonat în favoarea iluminării prin încălzirea manșoanelor incandescente pentru iluminatul public, iar producția de fire de carbon va fi abandonată timp de câteva decenii.
În 1958, Roger Bacon (ro) a dorit să determine punctul triplu al atomilor de carbon prin încălzirea la temperatură ridicată într-un cuptor cu arc, a observat formarea filamentelor de carbon. El a continuat să studieze formarea acestor filamente pentru a ajunge la o metodă de preparare care a fost brevetată. Procesul s-a bazat pe carbonizarea fibrelor de viscoză , a fost utilizat de Union Carbide (a cărui ramură de carbon va deveni ulterior Graphtec ). Proprietățile mecanice ale acestor fibre erau totuși limitate, deoarece conținutul lor de carbon era redus. În 1960 Akio Shindo a produs fibre de carbon de calitate mai bună din poliacrilonitril (fibre ex-PAN). În aceeași perioadă, Richard Millington a îmbunătățit procesul de fabricație pentru fibrele din viscoză. Conținutul ridicat de carbon (99%) și proprietățile mecanice bune au făcut posibilă luarea în considerare a utilizării lor ca armare în materialele compozite. În acest deceniu, s-au efectuat cercetări pentru a găsi noi precursori de carbon pentru a obține fibre. Acestea conduc la procese de fabricare a fibrelor de carbon din pas de petrol.
În 1963, W. Watt, LN Phillips și W. Johnson (Royal Aircraft Establishment din Farnborough, Hampshire) au dezvoltat un proces pentru fabricarea materialelor compozite. Rolls-Royce folosește acest proces pentru fabricarea lamelor compresoarelor pentru motoarele sale RB211 . Aceste compozite sunt totuși sensibile la șocuri (de exemplu, coliziuni cu păsări), ceea ce le va limita utilizarea în aeronautică. În aceeași perioadă, guvernul japonez a susținut foarte activ dezvoltarea producției industriale de fibre de carbon, iar mai multe companii au dezvoltat această activitate ( Toray , Nippon Carbon , Toho Rayon , Mitsubishi ). Japonia devine lider în domeniul fibrelor de carbon fabricate din PAN.
În anii 1970, piața mondială a fost dominată de Union Carbide care a folosit procesul Toray. Compania Courtaulds este singurul furnizor major britanic. Această companie va rămâne un furnizor important de materiale compozite pentru aplicații în sport până la sfârșitul anilor 1980. Statele Unite și Europa încurajează, de asemenea, companii precum BASF , Celanese sau Akzo să dezvolte producția industrială de fibre de carbon.
De la sfârșitul anilor 1970, multe evoluții au condus la producerea de fibre cu proprietăți mecanice potrivite pentru multe aplicații diferite. O distincție se face în principal între fibrele cu modul ridicat și fibrele cu tenacitate ridicată. Cererea de materiale compozite este în continuă creștere, determinată în principal de industria aeronautică, de apărare și eoliană. Acest lucru a dus la apariția de noi jucători pe această piață, cum ar fi China sau Coreea de Sud. Mai recent, necesitatea înlocuirii precursorilor de carbon din resursele fosile cu precursori biobaza a condus la activitatea de cercetare în domeniul fibrelor pe bază de lignină . Fibrele compozite au fost, de asemenea, dezvoltate folosind ca structură nanotuburile de carbon .
Putem cita trei familii principale de fibre utilizate pe scară largă:
Fibrele obținute prin depunerea chimică a vaporilor de la un precursor de carbon, cum ar fi benzenul, au proprietăți și aplicații diferite și sunt în general denumite „ nanofibre de carbon ”.
Fibra de carbon este un material cu un conținut foarte ridicat de carbon (mai mare de 90% din masă). La nivel atomic, o fibră este compusă din foi de carbon poliaromatic stivuite într-o structură care poate fi foarte apropiată de cea a grafitului , dar care poate fi și mai dezordonată decât grafitul (carbon turbostatic în care stivuirea foilor de carbon cuprinde defecte). Nivelul de grafitizare a fibrelor depinde de precursorul utilizat, dar și de metoda de producție utilizată. Aranjarea stivelor de foi de carbon constituie microstructura fibrelor de carbon, depinde și de precursorul carbonului și de procesul de sinteză.
Fibra Toray M40 cu modul ridicat ex-PAN.
Fibra Toho Tenax.
Fibra de carbon Celion ex-viscoză.
O fibră este un material unidimensional, este dispunerea fibrelor în două sau trei dimensiuni ceea ce va face posibilă obținerea unei piese compozite C / C având bune proprietăți mecanice. Proprietățile de utilizare a unei fibre de carbon sunt, prin urmare, caracterizate în direcția longitudinală a fibrei.
Diametrul fibrelor de carbon este acum între 5 și 10 µm. Densitatea fibrelor de carbon este de ordinul 1,7. Acest lucru face posibilă proiectarea materialelor compozite cu o densitate similară, ceea ce reprezintă o reducere foarte semnificativă în comparație cu materialele metalice.
Principala utilizare a fibrelor de carbon este producerea de materiale compozite cu proprietăți mecanice îmbunătățite pentru o greutate redusă. Prin urmare, proprietățile mecanice sunt caracteristicile esențiale ale unei fibre. Se utilizează în principal doi parametri:
O fibră cu un modul ridicat de elasticitate se va deforma foarte puțin, dar se poate rupe la solicitări moderate. Utilizat ca armare, poate duce la un material cu un caracter fragil. Acest tip de fibră se numește fibră cu modul înalt. O fibră cu un modul de elasticitate mai moderat va avea o rezistență la tracțiune mai mare, poate conferi materialului compozit o rezistență la tracțiune mai bună, dar o deformabilitate mai mare. Dacă o fibră de carbon are un caracter foarte grafitic și o structură foarte ordonată, va avea un modul ridicat de elasticitate, pe de altă parte va avea un caracter fragil. Controlul acestei structuri se obține prin alegerea precursorului (o fibră ex-pitch este în general mai grafitică decât o fibră ex-PAN), dar și prin utilizarea unui tratament termic la temperatură foarte ridicată.
Deoarece fibrele de carbon sunt compuse din domenii grafitice, ele profită de proprietățile electrice ale grafitului . Grafitul este un material anizotrop care are o conductivitate electrică foarte bună în direcția planurilor grafene. Deoarece domeniile grafitice sunt orientate în direcția longitudinală în fibre, acestea din urmă prezintă, de asemenea, bune proprietăți termice și electrice de-a lungul direcției firului. Prin urmare, rezistivitatea electrică a unei fibre scade dacă caracterul său grafitic crește, valorile variază de la 900 µΩ cm pentru o fibră cu modul înalt (350 până la 500 GPa ) până la 1650 µΩ cm pentru fibrele cu moduli mai mici (200 până la 300 GPa ). Conductivitatea termică este de asemenea dependentă de structura, aceasta poate varia de la 20 W m -1 K -1 pentru fibre de modul intermediar la 80 W m -1 K -1 pentru fibre cu modul ridicat.
Fibrele obținute din poliacrilonitril reprezintă cea mai mare parte a armăturilor utilizate în compozite. Acest lucru se datorează faptului că pot avea proprietăți mecanice bune în timp ce au un cost de fabricație moderat. PAN este un polimer având formula [-CH 2 - CH (CN) -] n . Etapele de fabricație sunt următoarele:
Fibrele ex-pitch pot fi obținute de la mai multe tipuri de precursori:
Compoziția unui pitch variază foarte mult în funcție de metoda de producție și de precursorul utilizat. În toate cazurile, conține o proporție mare de carbon aromatic sub formă de molecule poliaromatice având o masă molară de 400 până la 600 g / mol. Fibrele obținute din cărbune pot conține particule solide de carbon, care pot slăbi fibrele de carbon obținute, prin urmare se folosește, de preferință, pas de petrol.
Principalul precursor pentru acest tip de fibre este celuloza . Acest material se numește „raion”, forma normală a raionului se numește „ viscoză ”. Dezvoltarea unui fir raional implică mai multe etape:
Din firele de raion, etapele pentru obținerea fibrelor de carbon sunt similare cu cele prezentate pentru fibrele ex-PAN.
Lignina este cel mai abundent biopolimer ce conține structuri aromatice, reprezintă între 15 și 30% din plante. Este un material disponibil astăzi la un cost foarte moderat, de exemplu ca produs secundar al fabricării hârtiei . Structura sa chimică compusă din structuri aromatice legate între ele pentru a forma o rețea bidimensională, iar caracterul termoplastic al acestui polimer face posibilă extrudarea acestuia pentru a obține fibre și tratarea termică pentru a obține o fibră de carbon. Prin urmare, procesul de fabricare a fibrelor de carbon din lignină este foarte similar cu cel prezentat în paragrafele anterioare.
Una dintre dificultăți este că lignina poate avea structuri și proprietăți fizice diferite în funcție de planta din care provine și de procesul utilizat pentru separarea acesteia de alte componente ale plantei. Poate conține și impurități. Condițiile din fibre de extrudare, care sunt dependente de temperatura de tranziție vitroasă ( T v prin urmare), trebuie să fie alese în funcție de lignina utilizat. În plus, proprietățile finale ale fibrelor de carbon pot varia în funcție de compoziția inițială a ligninei. În ciuda acestor dificultăți, lignina are numeroase avantaje: este un material biosursal al cărui cost este redus, are un randament bun de carbon și caracterul său termoplastic face posibilă dezvoltarea unor procese de fabricație eficiente. Primele brevete pe această temă din anii 1960, dar cercetarea privind optimizarea acestor fibre și integrarea proceselor de fabricație într - un concept de bio-rafinărie a devenit foarte activ de la începutul secolului al XXI - lea secol ( de exemplu:. Programul european LIBRE lignină Fibre de carbon pe bază de compozite ).
Au fost dezvoltate mai multe procese pentru a produce fire care conțin nanotuburi de carbon . Putem cita:
Proprietățile fibrelor obținute sunt foarte dependente de nanotuburi și de metoda utilizată. Aplicațiile prevăzute pentru acest tip de fibre sunt în general textile tehnice.
Fibrele de carbon sunt utilizate în principal ca armare în materialele compozite . Acestea permit obținerea unor părți structurale cu proprietăți mecanice bune: rigiditate, rezistență la fisurare etc. , în timp ce are o densitate scăzută în comparație cu materialele metalice.
Acestea sunt în general inserate în materialul compozit sub formă de fire încrucișate sau straturi țesute, o matrice este apoi infiltrată în material pentru a face partea dorită. Pentru o cameră dată, este necesar să se calculeze o dispunere optimă a rețelei de fibre. Prin urmare, dezvoltarea acestor piese are un cost, ceea ce înseamnă că materialele compozite pe bază de fibră de carbon sunt utilizate în principal în aplicații critice.
Principalul domeniu de aplicare este industria aeronautică și spațială:
Sportul competitiv folosește, de asemenea, pe scară largă materiale compozite, atât pentru greutatea redusă, cât și pentru proprietățile mecanice îmbunătățite:
Fibra de carbon este utilizată la fabricarea instrumentelor :
În alte domenii, putem cita, de asemenea:
Țesăturile din fibră de carbon găsesc, de asemenea, aplicații utilizate singure:
Țesătură din fibră de carbon.
Frână de carbon Airbus A330 / A340.
Trimaran clasa MOD70
Partea din spate a caroseriei unei mașini Champ Car
Armin Bachmann (de) pozat cu două bucăți de alphorn , una în lemn și cealaltă în fibre de carbon.