Introduction

Les fibres de carbone ou fibres de carbone sont des fibres d’environ 5 à 10 micromètres de diamètre et composées principalement d’atomes de carbone. Les fibres de carbone présentent plusieurs avantages, notamment une rigidité élevée, une résistance à la traction élevée, un faible poids, une résistance chimique élevée, une tolérance à haute température et une faible dilatation thermique., Ces propriétés ont rendu la fibre de carbone très populaire dans l’aérospatiale, le génie civil, l’armée et les sports mécaniques, ainsi que dans d’autres sports de compétition. Cependant, ils sont relativement chers par rapport aux fibres similaires, telles que les fibres de verre ou les fibres de plastique.,les fibres de carbone sont classées en:

  • fibres de carbone à base de PAN
  • fibres de carbone à base de pas
  • fibres de carbone à base de pas de mésophase
  • fibres de carbone à base de pas isotrope
  • fibres de carbone à base de rayonne
  • fibres de carbone cultivées en phase gazeuse

Les fibres sont classées en:

  • type I, fibres de carbone à traitement thermique élevé (htt), où la température finale du traitement thermique doit être supérieure à 2000°C et peut être associée à une fibre de type haut module.,
  • type-II, fibres de carbone de traitement thermique intermédiaire (IHT), où la température finale de traitement thermique devrait être autour ou au-dessus de 1500°C et peut être associée à la fibre de type haute résistance.
  • Type III, fibres de carbone à faible traitement thermique, où les températures de traitement thermique final ne dépassent pas 1000°C. Ce sont des matériaux à faible module et à faible résistance.

processus de fabrication

fibres de carbone à partir de polyacrylonitrile (PAN):

matières premières

la matière première utilisée pour fabriquer la fibre de carbone est appelée précurseur., Environ 90% des fibres de carbone produites sont fabriquées à partir de polyacrylonitrile. Les 10% restants sont fabriqués à partir de rayonne ou de Poix de pétrole. Tous ces matériaux sont des polymères organiques, caractérisés par de longues chaînes de molécules liées entre elles par des atomes de carbone. La composition exacte de chaque précurseur varie d’une entreprise à l’autre et est généralement considéré comme un secret commercial. Au cours du processus de fabrication, une variété de gaz et de liquides sont utilisés. Certains de ces matériaux sont conçus pour réagir avec la fibre pour obtenir un effet spécifique., D’autres matériaux sont conçus pour ne pas réagir ou pour empêcher certaines réactions avec la fibre. Comme pour les précurseurs, les compositions exactes de bon nombre de ces matériaux de processus sont considérées comme des secrets commerciaux.

le procédé de fabrication PAN

Figure 1


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filature

  • La poudre plastique D’Acrylonitrile est mélangée à un autre plastique, comme l’acrylate de méthyle ou le méthacrylate de méthyle, et est mise à réagir avec un catalyseur un plastique polyacrylonitrile.,
  • Le plastique est ensuite filé en fibres en utilisant l’une des différentes méthodes. Dans certaines méthodes, le plastique est mélangé à certains produits chimiques et pompé à travers de minuscules jets dans un bain chimique ou une chambre de trempe où le plastique coagule et se solidifie en fibres. Ceci est similaire au processus utilisé pour former des fibres textiles polyacryliques. Dans d’autres méthodes, le mélange de plastique est chauffé et pompé à travers de minuscules jets dans une chambre où les solvants s’évaporent, laissant une fibre solide., L’étape de filage est importante car la structure atomique interne de la fibre se forme au cours de ce processus.
  • Les fibres sont ensuite lavées et étirées au diamètre de fibre souhaité. L’étirement aide à aligner les molécules dans la fibre et fournit la base pour la formation des cristaux de carbone étroitement liés après la carbonisation.

stabilisation

avant que les fibres ne soient carbonisées, elles doivent être modifiées chimiquement pour convertir leur liaison atomique linéaire en une liaison en échelle plus stable thermiquement., Ceci est accompli en chauffant les fibres dans l’air à environ 390-590° F (200-300° C) pendant 30-120 minutes. Cela amène les fibres à ramasser les molécules d’oxygène de l’air et à réorganiser leur motif de liaison atomique. Les réactions chimiques stabilisatrices sont complexes et impliquent plusieurs étapes, dont certaines se produisent simultanément. Ils génèrent également leur propre chaleur, qui doit être contrôlée pour éviter de surchauffer les fibres. Commercialement, le processus de stabilisation utilise une variété d’équipements et de techniques. Dans certains processus, les fibres sont étirées à travers une série de chambres chauffées., Dans d’autres, les fibres passent sur des rouleaux chauds et à travers des lits de matériaux lâches maintenus en suspension par un flux d’air chaud. Certains procédés utilisent de l’air chauffé mélangé à certains gaz qui accélèrent chimiquement la stabilisation.

carbonisation

Une fois les fibres stabilisées, elles sont chauffées à une température d’environ 1 830-5 500° F (1 000-3 000° C) pendant plusieurs minutes dans un four rempli d’un mélange gazeux ne contenant pas d’oxygène. Le manque d’oxygène empêche les fibres de brûler à très haute température., La pression du gaz à l’intérieur du four est maintenue supérieure à la pression de l’air extérieur et les points où les fibres entrent et sortent du four sont scellés pour empêcher l’oxygène d’entrer. Au fur et à mesure que les fibres sont chauffées, elles commencent à perdre leurs atomes non carbonés, plus quelques atomes de carbone, sous la forme de divers gaz, y compris la vapeur d’eau, l’ammoniac, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’hydrogène, l’azote et autres. Lorsque les atomes non carbonés sont expulsés, les atomes de carbone restants forment des cristaux de carbone étroitement liés qui sont alignés plus ou moins parallèlement au long axe de la fibre., Dans certains procédés, deux fours fonctionnant à deux températures différentes sont utilisés pour mieux contrôler le taux de chauffage pendant la carbonisation.

Figure 2


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Traitement de la surface

Après carbonisation, les fibres ont une surface qui ne se lie pas bien avec les époxydes et autres matériaux utilisés dans les matériaux composites. Pour donner aux fibres de meilleures propriétés de liaison, leur surface est légèrement oxydée., L’ajout d’atomes d’oxygène à la surface offre de meilleures propriétés de liaison chimique et également des gravures et des rugosités de la surface pour de meilleures propriétés de liaison mécanique. L’oxydation peut être obtenue en immergeant les fibres dans divers gaz tels que l’air, le dioxyde de carbone ou l’ozone; ou dans divers liquides tels que l’hypochlorite de sodium ou l’acide nitrique. Les fibres peuvent également être revêtues électrolytiquement en faisant des fibres la borne positive dans un bain rempli de divers matériaux électriquement conducteurs., Le processus de traitement de surface doit être soigneusement contrôlé pour éviter de former de minuscules défauts de surface, tels que des fosses, qui pourraient provoquer une défaillance des fibres.

dimensionnement

  • après le traitement de surface, les fibres sont enduites pour les protéger des dommages lors de l’enroulement ou du tissage. Ce processus est appelé dimensionnement. Les matériaux de revêtement sont choisis pour être compatibles avec l’adhésif utilisé pour former des matériaux composites. Les matériaux de revêtement typiques incluent l’époxyde, le polyester, le nylon, l’uréthane, et d’autres.
  • 8 les fibres revêtues sont enroulées sur des cylindres appelés bobines., Les bobines sont chargées dans une machine à filer et les fibres sont torsadées en fils de différentes tailles.

propriétés

la fibre de carbone a un rapport résistance / poids élevé (également appelé résistance spécifique)

La résistance d’un matériau est la force par unité de surface à la défaillance, divisée par sa densité. Tout matériau résistant et léger a un rapport résistance/poids favorable. Les matériaux tels que L’Aluminium, le titane, le magnésium, le carbone et la fibre de verre, les alliages d’acier à haute résistance ont tous de bons rapports résistance / poids.,

la fibre de carbone est très rigide

la rigidité ou la rigidité d’un matériau est mesurée par son module de Young et mesure la déviation d’un matériau sous contrainte. Le plastique renforcé de fibres de carbone est plus de 4 fois plus rigide que le plastique renforcé de verre, presque 20 fois plus que le pin, 2,5 fois plus que l’aluminium.

la fibre de carbone est résistante à la Corrosion et chimiquement Stable

bien que la fibre de carbone elle-même ne se détériore pas, L’époxy est sensible à la lumière du soleil et doit être protégée. D’autres matrices (quelle que soit la fibre de carbone intégrée) pourraient également être réactives.,

la fibre de carbone est électriquement conductrice

Cette caractéristique peut être utile et être une nuisance. Dans la construction de bateaux, il doit être pris en compte tout comme la conductivité de l’Aluminium entre en jeu. La conductivité de fibre de carbone peut faciliter la Corrosion galvanique dans des garnitures. Une installation soigneuse peut réduire ce problème.

la résistance à la Fatigue est bonne

La résistance à la Fatigue dans les Composites en fibre de carbone est bonne. Cependant, lorsque la fibre de carbone échoue, elle échoue généralement de manière catastrophique sans trop annoncer sa rupture imminente., Les dommages à la fatigue de traction sont considérés comme une réduction de la rigidité avec un plus grand nombre de cycles de contrainte (à moins que la température ne soit élevée), les tests ont montré qu’il est peu probable que la défaillance soit un problème lorsque les contraintes cycliques coïncident avec l’orientation de la fibre. La fibre de carbone est supérieure au verre E en termes de fatigue et de résistance statique ainsi que de rigidité.

la fibre de carbone a une bonne résistance à la traction

La résistance à la traction ou la résistance ultime, est la contrainte maximale qu’un matériau peut supporter tout en étant étiré ou tiré avant de s’enfoncer ou de tomber., Le couchage est lorsque la section de l’échantillon commence à se contracter de manière significative. Si vous prenez une bande de sac en plastique, il s’étirera et à un moment donné commencera à se rétrécir. C’est la striction. Il est mesuré en Force par unité de surface. Les matériaux fragiles tels que la fibre de carbone n’échouent pas toujours au même niveau de contrainte en raison de défauts internes. Ils échouent à de petites souches.

le test consiste à prélever un échantillon avec une section transversale fixe, puis à le tirer en augmentant progressivement la force jusqu’à ce que l’échantillon change de forme ou se casse., Les fibres, telles que les fibres de carbone, n’ayant que 2/10 000 e de pouce de diamètre, sont transformées en composites de formes appropriées afin de tester.

résistance au feu/non inflammable

selon le processus de fabrication et le matériau précurseur, la fibre de carbone peut être assez douce et peut être transformée ou plus souvent intégrée dans des vêtements de protection pour la lutte contre les incendies. La fibre enduite de Nickel est un exemple. Parce que la fibre de carbone est également chimiquement très inerte, elle peut être utilisée là où il y a du feu combiné avec des agents corrosifs. Couverture anti-feu en fibre de carbone excuse les fautes de frappe.,

conductivité thermique de la fibre de carbone

La conductivité thermique est la quantité de chaleur transmise à travers une épaisseur unitaire, dans une direction normale à une surface de surface unitaire, en raison d’un gradient de température unitaire, dans des conditions stables. En d’autres termes, c’est une mesure de la facilité avec laquelle la chaleur circule à travers un matériau.

Car il existe de nombreuses variations sur le thème de la fibre de carbone, il n’est pas possible de déterminer exactement la conductivité thermique. Les types spéciaux de fibre de carbone ont été spécifiquement conçus pour la conduction thermique élevée ou basse., Il y a aussi des efforts pour améliorer cette fonctionnalité.

Faible coefficient de dilatation thermique

Il s’agit d’une mesure de la quantité de dilatation et de contraction d’un matériau lorsque la température monte ou descend. Les unités sont en Pouce / Pouce degré F, comme dans d’autres tableaux, les unités ne sont pas aussi importantes que la comparaison. Dans un mât assez haut, les différences de Coefficients de dilatation thermique de divers matériaux peuvent modifier légèrement les tensions de la plate-forme. Le bas Coefficient de dilatation thermique rend la fibre de carbone appropriée aux applications où de petits mouvements peuvent être critiques., Télescope et autres Machines optiques est une telle application.

non toxique, biologiquement inerte, perméable aux rayons X

ces qualités rendent la fibre de carbone utile dans les applications médicales. L’utilisation de prothèses, les implants et la réparation des tendons, les accessoires de radiographie, les instruments chirurgicaux, sont tous en développement. Bien qu’elles ne soient pas toxiques, les fibres de carbone peuvent être très irritantes et l’exposition non protégée à long terme doit être limitée. La matrice soit époxy ou polyester, peut cependant être toxique et des soins appropriés doivent être exercés.,

la fibre de carbone est relativement chère

bien qu’elle offre des avantages exceptionnels de résistance, de rigidité et de réduction de poids, son coût est dissuasif. À moins que l’avantage de poids ne soit exceptionnellement important, comme dans les applications aéronautiques ou la course, il ne vaut souvent pas le coût supplémentaire. La faible exigence d’entretien de la fibre de carbone est un autre avantage.

Il est difficile de quantifier cool et à la mode. La fibre de carbone a une aura et une réputation qui rendent les consommateurs prêts à payer plus pour le cachet de l’avoir., Vous pourriez avoir besoin de moins par rapport à la fibre de verre et cela pourrait être une économie.

les Fibres de Carbone sont fragiles

Les calques dans les fibres sont formées par des liaisons covalentes fortes. Les agrégations en forme de feuille permettent facilement la propagation des fissures. Lorsque les fibres se plient, elles échouent à très faible contrainte.

Applications

Caractéristiques et les Applications des Fibres de Carbone

1., La force physique, spécifique de la résistance, le poids léger

de l’Aérospatiale, de la route et du transport maritime, des articles de sport

2. Stabilité dimensionnelle élevée, faible coefficient de dilatation thermique et faible abrasion

Missiles, freins d’avion, antenne aérospatiale et structure de support, grands télescopes, bancs optiques, guides d’ondes pour des cadres de mesure de précision stables à haute fréquence (GHz)

3., Bon amortissement des vibrations, de force et de ténacité

équipement Audio, haut-parleurs Hi-fi, de ramassage des armes, des bras de robot

4. Conductivité électrique

capots Automobiles, outillage novateur, Boîtiers et bases pour équipements électroniques, blindage EMI et RF, brosses

5., Biological inertness and x-ray permeability

Medical applications in prostheses, surgery and x-ray equipment, implants, tendon/ligament repair

6. Fatigue resistance, self-lubrication, high damping

Textile machinery, genera engineering

7., Inertie chimique, résistance à la corrosion élevée

industrie chimique; domaine nucléaire; vannes, joints et Composants de pompe dans les usines de traitement

8. Propriétés électromagnétiques

générateur de Grande anneaux de retenue, d’un équipement radiologique

Conclusion

le dernier développement dans La fibre de carbone de la technologie est de minuscules tubes de carbone appelé nanotubes. Ces tubes creux, certains aussi petits que 0.00004 in (0.,001 mm) de diamètre, ont des propriétés mécaniques et électriques uniques qui peuvent être utiles dans la fabrication de nouvelles fibres à haute résistance, de tubes à essai submicroscopiques ou éventuellement de nouveaux matériaux semi-conducteurs pour circuits intégrés.


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