L'histoire fascinante de la fibre de carbone : qui a inventé ce composite haute performance ?

L’ère moderne a vu l’émergence de nombreux matériaux remarquables, mais peu sont aussi exceptionnels que la fibre de carbone. Elle est inégalée en termes de rapport résistance/poids, offre une excellente durabilité et résiste à la corrosion. Des activités industrielles telles que l’aérospatiale, l’automobile et même le sport en dépendent de plus en plus, et pourtant les origines de la fibre de carbone sont souvent négligées. L’histoire de la fibre de carbone est très captivante. Cet article vise à faire la lumière sur l’invention de la fibre de carbone, ses utilisations initiales et son évolution en tant que composite haute performance d’aujourd’hui. Comprendre l’histoire de la fibre de carbone permet également de comprendre comment elle continue de stimuler l’innovation en ingénierie.

À qui est attribué l’invention de la fibre de carbone ?

La découverte révolutionnaire de Roger Bacon en 1958

La forme la plus moderne des fibres de carbone peut être attribuée au physicien Roger Bacon, qui travaillait au centre technique de Parme d'Union Carbide en 1958 et a effectué des travaux préliminaires pour l'industrie. La vente de fibres de carbone a commencé pendant les recherches de Bacon et consistait à faire pousser des barbes de graphite dans un arc de carbone. Les fibres produites à cette époque ont fourni une valeur remarquable car leur résistance à la traction et leur rigidité dépassaient de loin tout ce qui existait à l'époque. Ces barbes, bien que de petite taille, présentaient des propriétés extraordinaires, montrant des approximations de module d'élasticité de 700 GPa ainsi qu'une résistance à la traction de 20 GPa, démontrant parfaitement à quel point le carbone peut être utile dans les applications de matériaux avancés. Avec Orderous Cane, le fractionnement organique en grammes par colonne d'eau a constitué la plus ancienne base technique permettant la création de fibres de carbone polymorphes.

La contribution d'Union Carbide à l'évolution de la fibre de carbone

Union Carbide a synthétisé des composés organiques qui ont aidé à l'étape de développement qui n'a pas été réalisée lorsque les fibres de carbone étaient encore un concept dans le monde académique. Les fichiers des travaux de Bacon se sont avérés suffisants pour que Union Carbide diminue ses flux de revenus en testant à très petite échelle. Afin d'industrialiser la technologie de la fibre de carbone, l'entreprise avait besoin d'un fournisseur de fibres de carbone. C'est pourquoi Kuyushin a permis la production de fils fins à partir du filtre initial en rayonne dérivé après pyrolyse des fibres dans le traitement thermique des fibres. Il a volontairement capturé les pièces de travail d'Unstorm en ajoutant aux objectifs fixés leur garantissant des défauts de test. Il s'agissait des premières tentatives d'utilisation d'un filtre en rayonne dans une structure riche en carbone ayant un réseau plus adaptable.

Autres contributeurs clés à la technologie de la fibre de carbone

La fibre de carbone a également été perfectionnée et commercialisée par d’autres personnes et institutions que Roger Bacon. Au cours des années 1960, lorsque le Royal Aircraft Establishment (RAE) et Rolls Royce développaient des technologies au Royaume-Uni, des progrès significatifs ont été réalisés. Les efforts visaient à utiliser le polyacrylonitrile (PAN) comme précurseur et ont permis d’obtenir des fibres aux propriétés mécaniques et de traction améliorées, certaines dépassant 2 GPa et des modules proches de 200 GPa. De plus, Toray Industries et de nombreuses autres entreprises au Japon ont joué un rôle déterminant dans l’amélioration de la capacité de production du matériau en intégrant des techniques pionnières de fabrication de masse sans compromettre la qualité.

Grâce aux contributions des chercheurs, des entreprises et des gouvernements, la fibre de carbone a pu transcender les limites de la curiosité dans les laboratoires pour se transformer en l’un des matériaux les plus précieux et les plus multifonctionnels de l’ingénierie moderne.

Quel était le but initial de la fibre de carbone ?

Les références à la fibre de carbone remontent au 19e siècle, lorsque Thomas Edison l'utilisa dans son ampoule à incandescence en utilisant du bambou comme filament. Cela a permis de tester la résistance des matériaux en carbone à haute température. Malheureusement, ces fibres étaient fragiles et ne pouvaient pas être utilisées dans la société moderne.

Le milieu du XXe siècle a marqué l'époque où la fibre de carbone est devenue un matériau à haute résistance. Dans les années 20, le Royal Aircraft Establishment au Royaume-Uni a produit des filaments de carbone dotés d'une résistance à la traction, d'une rigidité et d'un polyacrylonitrile améliorés. Ces filaments étaient capables de supporter jusqu'à 1960 1,000 MPa, ainsi qu'un module de Young allant de 200 à 400 GPa. Grâce à ces avancées, l'utilisation de la fibre de carbone dans l'ingénierie aéronautique est devenue possible.

Les industries modernes illustrent une évolution inspirante depuis les inventions d'Edison vers l'utilisation moderne de la fibre de carbone, ce qui souligne le rapport résistance/poids inégalé de la fibre de carbone. Les fibres de carbone modernes ont un rendement étonnant de plus de 5,000 250 MPa et des modules de Young dans la plage de 1000 à XNUMX XNUMX GPa en fonction de leur qualité. Aujourd'hui, les fibres de carbone hautes performances sont fabriquées avec une précision remarquable. L'utilisation de fibres de carbone à base de brai a encore élargi leur applicabilité dans les domaines structurels, thermiques et électriques comme les éoliennes, les équipements sportifs et même les appareils médicaux, ainsi que les matériaux composites légers pour les satellites, les automobiles et les avions.

Le développement de fibres de carbone à base de brai à haute résistance et à module élevé a placé la barre plus haut en matière de performances des fibres de carbone à base de brai, ce qui a permis davantage d'applications dans les domaines thermique, structurel et électrique.

Comment la fabrication de la fibre de carbone a-t-elle évolué au fil du temps ?

Méthodes de production précoces utilisant des fibres à base de rayonne

Au milieu du XXe siècle, des fibres dérivées de la rayonne ont été utilisées pour la production de fibres de carbone. Ces fibres ont été soumises à des températures élevées afin de former une substance riche en carbone. Bien que cette technique ait été pionnière à sa manière, elle a produit des fibres avec des paramètres incohérents, une faible résistance et des limites d'application par rapport aux capacités actuelles.

Introduction des précurseurs du polyacrylonitrile (PAN)

Les années 1960 ont été marquées par une amélioration substantielle des techniques de production de fibres de carbone avec l'introduction des précurseurs du polyacrylonitrile (PAN). Les fibres de PAN ont permis de baser le polyacrylonitrile sur des structures supérieures permettant de produire de nombreuses fibres résistantes. De plus, les fibres de carbone créées à partir de ces fibres organiques possédaient une résistance à la traction élevée et étaient uniformes dans leur ensemble. Grâce à ce changement, il est devenu possible de répondre aux exigences des industries aérospatiales et de défense.

Techniques modernes de production de fibre de carbone

Aujourd'hui, les techniques avancées qui automatisent les processus de production de composites en fibre de carbone, comme la stabilisation, la carbonisation et la graphitisation, sont la norme. Cela réduit la variabilité tout en augmentant la facilité d'évolutivité. De plus, les progrès réalisés dans les efforts de recyclage permettent de mettre en œuvre des moyens plus durables au sein de l'industrie.

Quelles sont les étapes clés de l’histoire de la fibre de carbone ?

La découverte fondamentale de Roger Bacon chez Union Carbide en 1958 est souvent considérée comme le fondement de l'industrie de la fibre de carbone et de ses développements ultérieurs. Pour la première fois, Bacon a pu créer des fibres à haute résistance et à module élevé en utilisant un filament de graphite chauffé d'une manière expérimentale inédite. Les nouvelles fibres possédaient des propriétés mécaniques incroyables et se targuaient d'une résistance à la traction et d'une rigidité remarquables, résultant de l'architecture cristalline remarquablement alignée du graphite. Notamment, le module de traction était d'environ 20 millions de psi et la résistance à la traction d'environ 200,000 XNUMX psi, ce qui sont des chiffres incroyablement impressionnants pour n'importe quel matériau.

Cette seule découverte a suffi à l'American Chemical Society pour décerner le prix National Historic Chemical Landmark et pour briser les fondations de l'industrie moderne de la fibre de carbone. Outre cette importance, les découvertes de Bacon ont conduit à une révolution dans les industries aérospatiale et automobile, ainsi que dans d'autres domaines d'ingénierie de pointe qui nécessitent des matériaux légers et robustes pour des conceptions critiques.

Comment les propriétés de la fibre de carbone se comparent-elles à celles d’autres matériaux ?

Résistance à la traction et caractéristiques de légèreté

La fibre de carbone est l'un des matériaux industriels les plus résistants et est considérablement plus légère que des matériaux comme l'acier et l'aluminium. Sa résistance à la traction peut atteindre entre 250,000 800,000 et 1.6 7.8 psi, selon le type et la méthode de production. Contrairement aux matériaux conventionnels, la densité de la fibre de carbone est d'environ XNUMX g/cm³, ce qui contraste fortement avec les XNUMX g/cm³ de l'acier. Ce rapport résistance/poids exceptionnel est la raison pour laquelle la fibre de carbone est le matériau de choix dans les industries aérospatiale et automobile où le poids structurel doit être réduit.

Conductivité thermique et autres propriétés physiques

Bien que la fibre de carbone possède des propriétés mécaniques remarquables, sa conductivité thermique est limitée au type de fibre et à son orientation. Elle se situe généralement dans la plage de 5 W/m·K à 1000 237 W/m·K pour les variantes spécialisées à haute conductivité. Contrairement aux métaux comme l'aluminium (qui a une valeur de près de 20 W/m·K), les composites en fibre de carbone servent généralement d'isolant thermique en raison de la matrice en résine. Ils présentent également un module d'élasticité élevé allant de 50 à XNUMX millions de psi et une grande résistance à la fatigue. Ces propriétés lui permettent de fonctionner de manière fiable dans des conditions dynamiques et extrêmes, améliorant ainsi son application dans l'ingénierie de pointe.

Quelles industries ont été révolutionnées par la fibre de carbone ?

Applications aérospatiales et automobiles

Les secteurs de l’aéronautique et de l’automobile ont été transformés par l’avènement de la fibre de carbone, compte tenu de son rapport résistance/poids inégalé. Pour l’aéronautique, ce matériau est essentiel pour minimiser le poids des avions sans compromettre la résistance structurelle, ce qui optimise la consommation de carburant et maximise les capacités de charge utile. Par exemple, les composites en fibre de carbone sont utilisés dans les sections de fuselage et d’aile de l’avion, où la résistance à la traction à elle seule est d’environ 600 ksi. De même, l’industrie automobile est en mesure de tirer parti des fibres de carbone dans les supercars haut de gamme, en particulier en ce qui concerne la coque de carrosserie et les pièces de châssis rigides où l’accélération, le freinage et les performances globales du véhicule sont améliorés. Son module d’élasticité élevé, jusqu’à 50 millions de psi, garantit la fiabilité sous des contraintes dynamiques pulsatoires et des chocs.

Équipements sportifs et biens de consommation

Le composite en fibre de carbone est largement utilisé dans les industries du sport et des loisirs en raison de sa légèreté et de sa rigidité. On le retrouve dans les vélos, les raquettes de tennis, les clubs de golf et les cannes à pêche. Par exemple, le cadre d'un vélo en fibre de carbone peut peser moins de 1 kg tout en ayant une résistance à la traction de 500 ksi, offrant une vitesse et une dextérité inégalées. De même, la fibre de carbone est incorporée dans le boîtier de biens de consommation tels que les ordinateurs portables et les smartphones en raison de son attrait esthétique et de sa résistance sans le poids supplémentaire. Ces propriétés, combinées, contribuent à améliorer la qualité du produit sans perdre en durabilité.

Utilisations de la construction et des infrastructures

Le secteur de la construction s'adapte à l'utilisation de matériaux innovants comme la fibre de carbone, qui intègre une résistance élevée à la traction et une propriété anticorrosion. Son application est de plus en plus répandue dans le renforcement des structures en béton telles que les ponts et les bâtiments, où la résistance combinée à la légèreté est nécessaire. Le polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) est utilisé pour envelopper les poutres et les colonnes de support lorsque les capacités de charge dépassent 2000 MPa. Il possède également une résistance à la dégradation environnementale, ce qui maintient la résistance de la structure dans des conditions extrêmes. Par conséquent, la fibre de carbone continue de dominer le marché des infrastructures modernes avec ses besoins en termes de durée de vie plus longue et de coûts de maintenance réduits.

Quel avenir pour la technologie de la fibre de carbone ?

Progrès dans les composites à base de fibre de carbone

Le domaine de la science des matériaux est constamment mis au défi par les dernières améliorations de la technologie de la fibre de carbone, car ces innovations servent à augmenter les performances, la durabilité et l'efficacité. La dernière innovation relève le défi du coût en produisant des composites hybrides qui intègrent la fibre de carbone à la fibre de verre ou à l'aramide pour optimiser la flexibilité et la résistance aux chocs. De plus, des méthodes de production sont en cours de développement à l'aide de polyacrylonitrile (PAN) qui réduisent encore davantage les coûts et la consommation d'énergie tout en préservant la résistance à la traction exceptionnelle de la fibre de carbone, qui dépasse 4000 XNUMX MPa.

Nouvelles utilisations et innovations potentiellement basées sur la fibre de carbone

La fibre de carbone a de nombreuses applications nouvelles dans certains domaines comme la construction durable, les véhicules de mobilité aérienne urbaine, les pales d'éoliennes de nouvelle génération, etc. Par exemple, les composites thermoplastiques aérospatiaux peuvent être utilisés dans des cycles de fabrication rapides en raison de leurs capacités avancées de rétention de chaleur de 400 °F (204 °C). De plus, le CFRP est recherché pour la production d'énergie dans les éoliennes dont les pales mesurent plus de 100 mètres de long en raison de leur poids plus léger et de leur excellente résistance à la fatigue.

D’un point de vue environnemental, une méthode telle que le recyclage par pyrolyse démontre un potentiel de récupération des fibres en vue de leur réutilisation tout en préservant la résistance mécanique et en permettant un cycle de vie circulaire pour les produits en fibre de carbone. Ces avancées contribuent à résoudre des problèmes techniques, mais surtout, elles coïncident avec le besoin croissant de matériaux durables et efficaces dans les industries du monde entier.

Foire Aux Questions (FAQ)

Q : À qui est attribuée la découverte des fibres de carbone ?

R : On dit que Sir Hugh Robert Hurst a été le pionnier de l’invention des fibres de carbone dans les années 1950, qui constituent la base des fibres de carbone hautes performances que nous connaissons aujourd’hui.

Q : Quelles matières premières sont utilisées pour la production de fibres de carbone à base de PAN ?

R : La principale matière première pour la production de fibres de carbone à base de PAN est le polyacrylonitrile (PAN), qui est ensuite traité pour fabriquer des fibres à haut module à partir de précurseurs de pan.

Q : Pourquoi les fibres de carbone ont-elles trouvé des applications dans de nombreuses industries ?

R : Les fibres de carbone ont trouvé des applications dans un large éventail d’industries en raison de leur résistance exceptionnelle et de leur module élevé, ce qui les rend utiles dans l’aérospatiale, la construction automobile et la fabrication d’équipements sportifs.

Q : Quelle contribution la vie d’Akio Shindo a-t-elle apportée à l’évolution des fibres de carbone ?

R : Akio Shindo était l’un des principaux fabricants de fibres de carbone PAN dans les années 1970, ce qui a considérablement fait progresser le développement et l’adoption des fibres de carbone.

Q : Comment la fibre de carbone commerciale est-elle fabriquée aujourd’hui ?

R : Aujourd’hui, les fibres de carbone commerciales sont fabriquées à l’aide de méthodes modernes de filage et de chauffage du polyacrylonitrile (PAN) pour fabriquer de nombreux types de fibres et de tissus de carbone.

Q : Que signifie le contrat technologique commun pour les technologies de production de fibre de carbone ?

R : Les technologies de production de fibres de carbone des principaux producteurs ont été consolidées dans le cadre d’un accord unique qui a automatisé les processus de production de fibres de carbone.

Q : En quoi les fibres de carbone haute performance diffèrent-elles des autres types ?

R : Comme les autres fibres, les fibres de carbone hautes performances se différencient par leur teneur en carbone, leur résistance et leurs propriétés de module qui leur permettent de surpasser les fibres standard dans des applications plus difficiles.

Q : Quelle est l’histoire de la première ampoule à incandescence et de son lien avec les fibres de carbone ?

R : Edison a inventé la première ampoule à incandescence utilisant des filaments de carbone, qui ont joué un rôle essentiel dans l'évolution des fibres de carbone. Cependant, les fibres de carbone actuelles sont considérablement différentes en termes de structure et de composition. Basées sur des structures de carbone filamentaires, les fibres de carbone ont connu une grande avancée.

Q : Que sont les filaments entièrement en fibre de carbone et quelles sont leurs applications ?

R : Les filaments entièrement en fibre de carbone sont fabriqués à partir de fibre de carbone qui a des applications spéciales dans la fabrication de composants aérospatiaux et d'articles de sport avancés en raison de leurs propriétés structurelles uniques.

Sources de référence

1. Rubrique : MATÉRIAUX COMPOSITES EN ALUMINIUM RENFORCÉS PAR DES FIBRES DE CARBONE

Auteur : Keiichi Kuniya et al.

Année de publication : 2017

Résumé : L'objectif de cet article est d'étudier un matériau composite renforcé par des fibres de carbone et une matrice en aluminium avec des fibres de carbone incorporées dont la résistance à la traction est supérieure à celle de la matrice elle-même. La recherche met en évidence le développement d'une phase carbure à l'interphase entre les fibres de carbone et la matrice en aluminium du composite, ce qui renforce à son tour la liaison et d'autres propriétés du composite (Kuniya et al., 2017).

2. Titre : COMPOSITE DE CARBONE RENFORCÉ PAR DES FIBRES DE CARBONE ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION

Auteurs : non définis

Année de publication : 2017

Résumé : Cette étude contribue à la littérature technique sur les composites de carbone renforcés par des fibres de carbone, en mettant l'accent sur les performances élastiques telles que le module d'élasticité en flexion longitudinale. L'article décrit l'application de composites de fibres de carbone sur des fibres de carbone pour une meilleure résistance mécanique et pour minimiser les effets de déformation, de fractures et d'autres dommages causés pendant le travail (COMPOSITE DE CARBONE RENFORCÉ PAR DES FIBRES DE CARBONE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION DU MÊME DOMAINE D'INVENTION, 2017).

3.Titre : Structure en fibre de carbone activée et procédé de production de celle-ci

Auteurs : Non spécifiés

Année de publication : 2017

Résumé : Ce procédé de production qui combine des fibres de brai avec les fibres précurseurs de fibres de carbone décrit la structure fibreuse d'un composite de carbone activé. Une caractéristique unique de la structure fibreuse qui a été activée par traitement est capable d'améliorer les propriétés, les dispositifs et les matériaux de la fibre de carbone de brai, et de nombreux autres domaines (STRUCTURE DE FIBRE DE CARBONE ACTIVÉ ET PROCÉDÉ DE PRODUCTION DE CELLE-CI, CONTEXTE DE L'INVENTION, 2017).

4. Fournisseur leader de services d'usinage de fibres de carbone en Chine