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Fibre de carbone
Un filament de fibre de carbone
Un filament de fibre de carbone
Un tissu constitué de filaments de carbone torsadées
Un tissu constitué de filaments de carbone torsadées
Caractéristiques principales
composition carbone
apparence noir
État d'agrégation (en C.S.) solide
cristallinité cristalline
propriétés physico-chimiques
densité (G / cm3, en C.S.) 01/06 à 02/15[1]
c0p, m(J · kg-1K-1) 710-930[1]
La conductivité thermique (W/m·K) 8-375[1]
propriétés mécaniques
résistance à la traction (kgfa/ m2) 2000-4500 MPa[1]
du module d'élasticité longitudinal (GPa) 250-500[1]

la la fibre de carbone est un matière ayant une structure filiforme, très mince, en carbone, généralement utilisé dans la production d'une grande variété de "matériaux composites», Qui sont appelés ainsi parce qu'ils sont constitués de deux matériaux ou plus, dans ce cas sont les fibres de carbone et un soi-disant matrice, typiquement résine (Mais il peut être dans une autre matière plastique ou en métal), dont la fonction est de maintenir en fibres résistantes à la « pose » (afin qu'ils maintiennent l'orientation correcte pour absorber les efforts), pour protéger les fibres et aussi pour maintenir la forme du artefact composite.

Pour la réalisation des structures de composite de fibres de carbone sont d'abord tressés en véritables nappes en tissu de carbone et une fois placé dans la pose sont immergés dans la matrice. Parmi les caractéristiques de la fibre de carbone supporter la résistance mécanique élevée, une faible densité, la capacité d'isolation thermique, résistance aux variations de température et l'effet des produits chimiques, de bonnes propriétés épreuve du feu. D'autre part le matériau composite à base de fibres de carbone est non homogène et a souvent une forte anisotropie, ou ses caractéristiques mécaniques ont une direction privilégiée.

le terme la fibre de carbone Il est souvent utilisé de manière abusive pour désigner le composite dont le matériau de fibres de carbone est un composant.

histoire

En 1950, Abbott a réussi à produire des fibres de carbone par carbonisation de la rayonne à une température d'environ 1000 ° C, pour obtenir un matériau ayant une résistance à la traction de 280 MPa.[1] Dans la même année R. C. Houtz a constaté que la fibre de carbone pourrait également être produit à partir polyacrylonitrile un tel polymère par chauffage dans l'air à 300 ° C[1]

La première fibre de carbone de haute performance a été créé en 1958 Roger Bacon, physique et matériaux scientifiques au parme Centre technique, Ohio. Le matériel créé par Bacon se composait principalement de filaments minces graphite disposés en feuilles ou en rouleaux; les feuilles ont été étendues de manière continue sur toute la longueur du filament de graphite. Après avoir développé la fibre de carbone, Bacon a estimé que le coût de production de fibres de haute performance « 10 millions dollars pour livre. « Le matériel créé par Bacon représentait une découverte d'une grande importance à cette époque, et les scientifiques et les industriels ont été déterminés à trouver une méthode de production efficace et moins coûteuse.[2]

En 1959, Akio Shindo a amélioré les caractéristiques de la fibre de carbone produite en soumettant un tel polymère à PAN carbonisation.[1] Cette même année, le processus Abbott pour la production de fibre de carbone de rayonne a été exploitée par Union Carbide puis par d'autres entreprises américaines pour la commercialisation de cette fibre de carbone.[1]

En 1966, E. et H. Fitzer Schlesinger produits pour les premières fibres de carbone dans le temps à partir de la phase gazeuse.[1] Le processus de production de ces fibres a été améliorée en 1974 par morinobu endo, il a souligné que la croissance de ces fibres peut être favorisée en raison de la catalyse.[1] De telles fibres, cependant, n'a jamais été commercialisé.[1]

Le 14 Janvier 1969 Carr Reinforcements a produit le premier tissu en fibre de carbone.[3]

La possibilité de produire des fibres de carbone à partir de brai a été mis en évidence pour la première fois en 1963 par Sugio Otani.[1] En 1970 a commencé la commercialisation de fibres de brai par la Kureha Chemical Industries Company.[1] Les propriétés mécaniques de ces fibres ont subi une augmentation considérable en 1976, lorsque Irwin C. Lewis et Leonard Singer ont commencé à pointer le procédé pour la production de fibres de carbone à partir de brai anisotrope.[1]

Structure et propriétés

Fibre de carbone
Un diamètre de la fibre de carbone de 6 m (qui se prolonge à partir du bas à gauche vers le haut à droite) en comparaison avec un cheveux humain

Les fibres de carbone ont des propriétés très similaires à 'amiante,[4] mais contrairement à l'usage dernier n'est pas dangereux pour la santé.

Chaque nappe de filaments de carbone forme un ensemble formé par l'union de plusieurs milliers de filaments. Chaque filament individuel a une forme à peu près cylindrique[1] avec un diamètre de 8/5 iM et il se compose presque exclusivement de carbone (Au moins 92%[5]).

L'atome de la structure de la fibre de carbone est similaire à celle du graphite, consistant en agrégats de atomes Structure de carbone vol plané (feuilles de graphène) Disposées en symétrie hexagonal régulière. La différence réside dans la façon dont ces feuilles sont reliés entre eux. Le graphite est un matériau cristallin dans lequel les feuilles sont disposées parallèlement par rapport à l'autre en formant une structure régulière. la liaisons chimiques qui sont établis entre les feuilles sont relativement faibles, ce qui donne le graphite sa douceur et sa caractéristique fragilité.

Les fibres de carbone ont un haut inertie chimique contre de nombreuses solutions aqueuses. Ils se rencontrent à la détérioration si elles entrent en contact avec des métaux et d'oxydes métalliques à des températures supérieures à 1000 K.[1]

la densité typique de la fibre de carbone est de 1750 kg / m3. La résistance mécanique de différents types de fil varie entre 7.2 GPa.

classification

Sur la base des caractéristiques mécaniques

En fonction de leurs caractéristiques mécaniques, les fibres de carbone peuvent être classés dans le commerce:

  • GP (Performance générale): Caractérisée par une résistance mécanique plus faible; un module de Young pas plus de 200 GPa;[6]
    • LM (faible Modulus): Pièce de faibles valeurs du module de Young;[7]
  • HP (haute Performance): Caractérisé par une résistance mécanique accrue
    • HT (Force à haute résistance) Ont des valeurs élevées de résistance à la traction (supérieur à 3000 MPa[1]) et les valeurs standard du module de Young (environ 150-300 GPa[8])
    • IM (Modulus intermédiaires): Afficher les valeurs modérées de module de Young (environ 275-350 GPa[9])
    • HM (Modulus haute): Avoir des valeurs élevées de module de Young (supérieur à 300 GPa[10])
      • UHM (UltraHigh Modulus): Avoir des valeurs élevées de module de Young (supérieur à 600 GPa[11]).

Selon le processus de production

Du point de vue du processus à partir duquel ils sont obtenus, les fibres de carbone sont également classés comme suit:

  • des fibres de carbone à partir de polyacrylonitrile (PAN): obtenus grâce à la stabilisation, la carbonisation et un traitement thermique final à une température élevée de polyacrylonitrile;[1] 90% des fibres de carbone sont actuellement produits selon cette méthode;[1]
  • des fibres de carbone à partir de brai isotrope: obtenues à partir de fibres de brai soumises à une stabilisation et une carbonisation;[1]
  • des fibres de carbone à partir de brai anisotrope (MPP, Pas mésophase): Obtenu à partir de brai de mesogenica converti en mesofasica de tangage au cours du filage; tel degré de mesofasica est ensuite soumis à la stabilisation, la carbonisation et un traitement thermique à haute température;[1]
  • des fibres de carbone à partir de rayonne: obtenues à partir de fibres de rayonne soumis à un prétraitement chimique et carbonisation;[1] ce type de fibres de carbone ne sont plus produites industriellement;[1]
  • des fibres de carbone à partir de la phase gazeuse obtenue à partir d'une phase gazeuse contenant des hydrocarbures et des catalyseurs solides;[1] ces fibres de carbone ne sont pas actuellement sur le marché.[1]

En fonction de la structure

Selon le matière première utilisé pour produire la fibre, la fibre de carbone peut être turbostratique ou graphitique, ou posséder une structure hybride dans laquelle des parties qui sont présents à la fois turbostratique graphitique. Dans la fibre de carbone turbostratique, ou avec la structure cristalline formé par étages déviation en dehors par rapport à l'autre, les feuilles d'atomes de carbone sont reliés de façon aléatoire ou pliées ensemble. Les fibres de carbone obtenues à partir de PAN sont turbostratique, alors que les fibres de carbone dérivées de mésophase hauteur sont graphitique après chauffage à des températures supérieures à 2200 ° C Les fibres de carbone ont tendance à avoir turbostratiques résistance à la traction plus élevée, tandis que les fibres obtenues à partir d'un brai mésophase soumis à un traitement thermique possèdent une élasticité élevée (module de Young) Et haute conductivité thermique.

résumé

Le plus couramment utilisé pour obtenir la méthode des filaments de carbone consiste à 'oxydation et pyrolyse la polyacrylonitrile (PAN), un polymère obtenu à partir de polymérisation dell 'acrylonitrile. Le PAN est chauffé approximativement à une température de 300 ° C en présence de air, avec le résultat de l'obtention de l'oxydation et de la rupture d'un grand nombre des liaisons hydrogène établi entre les longues chaînes polymères. Le produit d'oxydation est placé dans un four et chauffé à environ 2000 ° C dans une atmosphère de gaz inerte (par exemple argon), Ce qui entraîne une modification radicale de la structure moléculaire avec formation de graphite. En effectuant le procédé de chauffage dans des conditions appropriées, il y a la condensation des chaînes de polymère à la production de feuilles étroites graphène ce mélange générer un seul filament. Le résultat final consiste à obtenir un matériau ayant une teneur en carbone de variable typiquement entre 93-95%.

Fibre de carbone
Synthèse des fibres de carbone à partir de polyacrylonitrile: a) cyclisation; b) déshydrogénation; c) l'élimination de 'azote.

inférieures des fibres de qualité peuvent être produites en utilisant comme précurseurs pas ou rayonne à la place du PAN.

Les propriétés mécaniques des fibres de carbone peuvent être encore améliorées en exploitant des traitements thermiques appropriés. Par chauffage dans la plage de 1500-2000 ° C, il a le soi-disant carbonisation avec un matériau ayant une formation élevée charge de rupture (5650 MPa), Tandis que la fibre de carbone soumis à une graphitisation (à savoir, à un chauffage à 2500-3000 ° C) montre un module d'élasticité supérieur (531 GPa).

applications

La fibre de carbone est principalement utilisé pour renforcer matériaux composites, en particulier ceux matrice polymère. Les matériaux ainsi obtenus ont une grande résistance, le poids léger, à faible coût et une certaine valeur esthétique. Pour ces raisons, les matériaux en fibre de carbone sont largement utilisés dans un grand nombre de régions dans lesquelles le poids et la résistance mécanique de l'objet sont des facteurs déterminants dans les produits de consommation ou simplement à des fins esthétiques.

L'un de ces domaines est le domaine des transports, où la légèreté du support est associée à une faible consommation de carburant. Par exemple, la Boeing 787 Il est construit en partie à partir de matériaux en fibre de carbone.[12] A cet effet, très rarement utiliser des feuilles plates de composite de flexion à chaud, est en fait la technique de polymérisation de résine préférée directement sur un moule, à imprégner chaque fibre à une couche de toile de temps, comprimer souvent l'ensemble afin d'améliorer l'uniformité de la épaisseur.

La légèreté de ces matériaux est également exploité dans le domaine sportif, où le poids des petits équipements de sport permet d'augmenter la résistance des athlètes; en particulier, ces matériaux sont utilisés dans la construction de:

  • course automobile
  • ombrea (Instrument pour la modélisation de verre)
  • vélos[13][14]
  • canoës[15]
  • skis nautiques[16]
  • semelles de certaines chaussures de football, pour les rendre plus souples et légers
  • clubs de golf[13]
  • des cannes à pêche[13]
  • raquettes de tennis[13]
  • tir à l'arc
  • casques de protection
  • carrosseries de voitures rc et des composants pour les voitures de course
  • revêtements d'avions

Un autre domaine dans lequel ils sont exploités la légèreté et le faible coût du matériau de fibre de carbone est l'industrie de la musique. En particulier, ces matériaux sont utilisés avec un bon résultat dans le rapport qualité-prix dans la construction de:

  • guitares
  • pour archets de violon, alto et violoncelle

En raison de leur solidité et légèreté, les matériaux en fibre de carbone sont également utilisés dans la fabrication des caisses et le quadrant horloges.[17]

La haute résistance mécanique et thermique du matériau en fibre de carbone qui les rend également approprié pour la construction d'objets qui doivent résister à des conditions extrêmes (par exemple, température et pression élevées), y compris:

Fibre de carbone
bouclier thermique graphite renforcé par des fibres de carbone de la navette spatiale

Les fibres de carbone peuvent être aussi associées à des matrices en matériau non polymère. En raison de la formation de carbures (Par exemple, le carbure d'aluminium, soluble dans l'eau) et les problèmes liés à des phénomènes de corrosion, l'utilisation de carbone dans le composite à matrice métallique est peu développée. Le carbone-carbone (RCC, Renforcé carbone-carbone)[19] Il est constitué d'un renfort en fibres de carbone dans une matrice de graphite et est utilisé dans des applications qui nécessitent une exposition à des températures élevées, comme dans le cas de boucliers thermiques de véhicules spatiaux ou freins la voiture formule 1. Ce matériau est également utilisé pour filtration de gaz à haute température, tels que électrode une surface spécifique élevée, résistant à la corrosion, et comme composant antistatique.

Industrie textile

Les filaments de tissus en fibre de carbone sont utilisés dans divers procédés, parmi lesquels l'armature de matière plastique, tissage les filaments et pultrusion. Le fil de fibres de carbone est classé selon sa densité linéaire (masse par unité de longueur, avec 1 g / 1000 m = 1 tex) Ou selon le nombre de filaments par fil. Par exemple 200 tex à 3000 filaments de fibre de carbone sont résistants à trois fois par rapport à 1000 fibres de carbone, mais aussi trois fois plus lourds. Ce fil peut être utilisé pour créer divers textiles, dont l'apparition dépend généralement de la densité linéaire du fil et du type de tissage effectué. Certains types de tissus couramment utilisés sont les sergé, la satin et toile.

technologie médicale

La fibre de carbone est de plus en plus utilisé pour fabriquer des équipements médicaux à la fois en raison de sa transparence aux rayons X à sa robustesse. Nous pouvons trouver la fibre de carbone sur:

  • Tables pour le soutien et le positionnement des patients dans les chambres à rayons X
  • aides à la mobilité tels que les béquilles[20], des cannes ou des fauteuils roulants
  • dispositifs orthopédiques, les implants ou les exosquelettes[21]

notes

bibliographie

Articles connexes

D'autres projets

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