matériau avancé de pointe du 21e siècle : fibre de carbone

La fibre de carbone, un matériau haute performance contenant plus de 90 % de carbone, est produite par la décomposition de fibres organiques en une structure de squelette carboné à haute température. Elle possède les caractéristiques intrinsèques des matériaux carbonés tout en conservant la souplesse et la facilité de mise en œuvre des fibres textiles. En conséquence, elle est largement utilisée dans les pales d'éoliennes, l'aérospatiale, les sports et loisirs, les récipients sous pression, les composites carbone/carbone et les infrastructures de transport. Elle constitue un matériau stratégique indispensable au développement économique national.

Classification

1. Par matière première

Les fibres de carbone sont classées en trois systèmes principaux de matières premières : à base de polyacrylonitrile, à base de brai et à base de viscose. Parmi celles-ci, les fibres de carbone à base de brai et à base de viscose ont des applications et des volumes de production relativement limités. Les fibres de carbone à base de polyacrylonitrile possèdent toutefois des caractéristiques structurelles et fonctionnelles supérieures, ce qui en fait la variété prédominante dans le développement et l'application des fibres de carbone, représentant plus de 90 % de la production mondiale.

2. Par quantité de fibre

Les fibres de carbone peuvent être classées en petites filées ou grandes filées selon la quantité de fibres. Les fibres de carbone à petite filée désignent celles dont la teneur est <24K, initialement dominée par 1K, 3K et 6K, évoluant progressivement vers 12K et 24K. Ces fibres présentent d'excellentes propriétés mécaniques, avec des résistances à la traction comprises entre 3500 et 7000 MPa et des modules de traction allant de 230 à 680 GPa. Elles sont principalement utilisées dans des secteurs de haute technologie tels que la défense, l'aérospatiale et les applications militaires, ainsi que dans les articles sportifs et de loisir. Parmi les exemples figurent les avions, les missiles, les fusées, les satellites, le matériel de pêche, les clubs de golf et les raquettes de tennis.

Les fibres de carbone à grand tow désignent généralement celles dont le nombre de brins dépasse 48K, incluant les variantes 48K, 60K et 80K. Elles présentent des résistances à la traction comprises entre 3500 et 5000 MPa et des modules de traction allant de 230 à 290 GPa. Leurs principales applications couvrent la fabrication automobile, les pales d'éoliennes, la construction écoénergétique, les textiles, les équipements médicaux et de santé, les systèmes électromécaniques, le génie civil et les infrastructures de transport.

Les fibres de carbone à petit tow offrent des performances supérieures mais à un prix plus élevé, tandis que les variantes à grand tow affichent des performances relativement inférieures tout en étant moins coûteuses. Le principal avantage des fibres à grand tow par rapport aux types à petit tow réside dans l'augmentation substantielle de la capacité de production unitaire dans des conditions de fabrication identiques, permettant ainsi une production rentable. De plus, elles démontrent une efficacité de mise en place plus élevée lors de la fabrication des composites, pouvant réduire les coûts de production de plus de 30 %.

3. Par propriétés mécaniques

La résistance à la traction et le module de traction sont les deux indicateurs les plus critiques pour évaluer les performances des fibres de carbone. La résistance à la traction désigne généralement la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de se rompre, tandis que le module de traction représente le rapport entre la contrainte et la déformation durant la déformation élastique, reflétant la rigidité du matériau. Fibres de carbone sont classées en deux séries : la série T (fibres de carbone à haute résistance) et la série M (haute rigidité fibres de carbone ). Les fibres de carbone de la série T sont les plus utilisées sur le marché, comprenant des grades tels que T300, T400, T700, T800 et T1100.

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