Fibre de carbone

Cet article est une ébauche concernant la chimie et la physique des matériaux.

Vous pouvez partager vos connaissances en l’améliorant (comment ?) selon les recommandations des projets correspondants.

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 se compose de fibres extrêmement fines, d'environ 5 à 10 micromètres de diamètre, et est composée 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.

Ce matériau est caractérisé par sa faible densité (1,7 à 1,9), sa résistance élevée à la traction et à la compression, sa flexibilité, sa bonne conductivité électrique et thermique, sa tenue en température et son inertie chimique (sauf à l’oxydation).

Fabrication

Les fibres de carbone sont produites à partir de précurseurs à base de polyacrylonitrile (PAN). Tout d'abord, on effectue l'oxydation des fibres de PAN pendant une à deux heures, à l'air et à une température de 200 à 300 °C. Puis, la carbonisation a lieu sous une atmosphère de diazote, à une température de 1 000 à 1 500 °C pendant seulement quelques minutes. Une fois ces étapes complétées, on obtient 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 2 500 à 3 000 °C pour une durée d'environ une minute. Cette dernière étape sert à obtenir un matériau composé à 99 % de carbone, ce qui le rend considérablement plus rigide (module de Young plus élevé), mais aussi moins résistant^[1]. Dans la fabrication de fibres de carbone de haute ou très haute résistance en traction, le procédé PAN reste aujourd'hui supérieur aux autres techniques et inégalé. Il est cependant important de fixer la fibre dans le sens supportant la charge et ce très judicieusement. Les brins de chaque étage de fibres sont résistants dans une seule direction, donc peu robustes dans l’autre. Il est important d’en tenir compte quelle que soit la procédure utilisée^[2].

Utilisations

Les trimarans de la classe MOD70 sont entièrement construits en carbone^[3].

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 :

le nez et les bords d'attaque des ailes de la navette spatiale sont en fibre de carbone ;
l'Airbus A380 n'aurait jamais volé s'il n'avait bénéficié de l'allègement et de la rigidité de nombreux éléments en fibre de carbone.

La fibre de carbone est aussi employée pour :

Monocoque en carbone de l'Alfa Romeo 4C.
les véhicules de compétition ; en tuning ;
les industries aéronautique et spatiale : avions de chasse, Dreamliner, etc. ;
les avions et hélicoptères haut de gamme, en modélisme aérien ;
les équipements sportifs notamment en canoë/kayak pour les bateaux et les pagaies, les arcs sportifs et flèches, cannes de hockey, raquettes de tennis, mâts/ wishbones de planches à voile, les vélomobiles ;
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, etc.) ;
des planeurs, voiliers de compétition ;
les tubes de télescope, grâce à son faible coefficient de dilatation ;
des cannes à pêche ;
des trépieds photo ;
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 protections corporelles pour les motards ;
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)^[4].

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, cependant cela est possible avec d'autres matériaux (aluminium, bois mouillé).
Cette fibre provoquerait sous certaines formes des risques de cancer du poumon (irritation de la plèvre)^{[réf. nécessaire]} ; par contre la tolérance avec les tissus biologiques est utilisée en chirurgie plastique.

Références

↑ (en) Peter Morgan, Carbon fibers and their composites, Taylor & Francis,‎ 2005, 1153 p.
↑ Michel Garneau, « La fibre de carbone : le matériau de l'avenir », LC Média,‎ 2008 (consulté le 23 novembre 2011)
↑ « Race for Water MOD70 : Un bateau ambassadeur au service des océans », Race for Water (consulté le 19 mars 2015)
↑ Histoire de Buffet crampon, sur buffet-crampon.com.

Annexes

Lien externe

« Fibres de carbone », sur le site des Éditions techniques de l'ingénieur.

Portail de la chimie
Portail de la physique
Portail de la production industrielle
Portail des sciences des matériaux

This article is issued from Wikipédia - version of the Thursday, July 16, 2015. The text is available under the Creative Commons Attribution/Share Alike but additional terms may apply for the media files.