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NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme NF EN ISO 472 d'avril 2013 citée dans cet article a été remplacée par la norme NF EN ISO 472/A1 (T50-100/A1) "Plastiques - Vocabulaire - Amendement 1 : termes supplémentaires" (Révision 2018)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN1901 (janvier 2019).
RÉSUMÉ
Ces dernières décennies, l'utilisation des fibres de carbone s'est développée dans les matériaux composites utilisés comme matériaux à hautes performances avec des propriétés en traction, cisaillement et compression. Les fibres actuellement sur le marché se divisent essentiellement en deux catégories, les fibres de carbone fabriquées à partir de polycrylonitrile (PAN) et celles fabriquées à partir de brais mésophases, mélange de houille et de pétrole. Les dernières, plus anciennes, sont utilisées pour la production de textile de carbone à usages d'isolation haute température, concurrençant ainsi les matériaux issus de rayonne. Quant aux fibres de carbone, leurs caractéristiques et leurs bas coûts de production les prédestinent préférentiellement à la fabrication de matériaux de renforcement.
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Guy DUPUPET : Ingénieur ENSIC (Nancy), docteur ès sciences physiques - Directeur industriel de la Société des fibres de carbone (SOFICAR)
INTRODUCTION
Si les premières fibres de carbone ont fait leur apparition en 1880, grâce à T. Edison, comme filament dans une lampe à incandescence, elles ont été réinventées vers 1955 par la National Carbon Company aux États-Unis et le groupe industriel Carbone Lorraine en France, par traitements thermiques de fibres ou de tissus de rayonne afin d'obtenir des textures carbonées pour des applications thermiques.
Entre 1960 et 1970, les recherches se sont orientées sur l'obtention de fibres de carbone à haut module et à haute ténacité. Union Carbide a développé des travaux sur les fibres de rayonne en améliorant l'orientation et les tensions pendant la carbonisation. En parallèle, Shindo, de l'Institut de Recherche Industrielle d'Osaka (Japon), et Watt et Philipps, de l'Atomic Energy Research Establishment de Harwell (Grande-Bretagne), découvraient la possibilité d'obtenir des fibres de carbone à haute résistance et haut module à partir de polyacrylonitrile.
Toray (au Japon), trois sociétés anglaises (Morgan Crucible, Rolls Royce et Courtaulds) et Carbone Lorraine en France (en collaboration avec Rhône-Poulenc Textile) commencèrent l'industrialisation des fibres de carbone à partir de polyacrylonitrile vers les années 1970.
À la même époque Union Carbide travaillait sur l'obtention de fibres de carbone à haute résistance et à haut module à partir de brais de mésophase tandis que Kureha au Japon et le Cerchar (Centre d'études et de recherche des charbonnages) en France développaient des fibres de carbone pour applications thermiques à partir de brais isotropes.
Aujourd'hui, les fibres de carbone de renforcement se sont développées principalement à partir de polyacrylonitrile (PAN). Le brai de mésophase reste un précurseur utilisé dans le cas de module très élevé.
Quant au brai isotrope, son utilisation est devenue très importante pour produire des textiles de carbone à usages d'isolation haute température, concurrençant ainsi les matériaux issus de rayonne.
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2. Propriétés des fibres de carbone
L'utilisation des fibres de carbone s'est développée dans les matériaux composites utilisés comme matériaux à « hautes performances ». Les matériaux composites, comme les produits naturels tels que le bois et les os, sont hétérogènes et anisotropes. Ils sont aujourd'hui en concurrence avec les métaux, matériaux isotropes et homogènes. L'augmentation des connaissances acquises, liée à l'augmentation des expériences d'utilisation, a démontré que des structures très légères pouvaient être fabriquées à partir des matériaux composites.
Ces composites à propriétés anisotropes nécessitent un calcul poussé des structures à réaliser afin de placer les fibres de carbone de renfort selon les sollicitations appliquées aux pièces envisagées. Ces matériaux peuvent remplacer les métaux les plus légers tels que le titane et l'aluminium ou ses alliages (voir le dossier [AM 5 645], référence [51] de la fiche documentaire [Doc AM 5 134]).
2.1 Propriétés mécaniques
Les fibres de carbone sont, en général, classées selon leurs propriétés mécaniques, les plus importantes étant les propriétés en traction.
Il convient de distinguer celles obtenues sur les fibres elles-mêmes de celles obtenues sur les matériaux composites. Dans le premier cas, les valeurs obtenues sont propres à la fibre, alors que, dans le second, l'influence de la matrice peut être déterminante.
L'usage est de classer les fibres selon leurs propriétés en traction obtenues sur mèche imprégnée.
Les fibres de carbone comportent un nombre de filaments pouvant aller de 1 000 à 24 000 pour les fibres de carbone standard et jusqu'à plus de 100 000 pour les « grosses mèches ».
Les coefficients de variation des propriétés mécaniques des « grosses mèches » sont beaucoup plus élevés que pour les fibres de carbone standard.
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ANNEXES
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Prix des fibres de carbone
Ils dépendent fortement de la qualité des fibres de carbone, des coûts de contrôle et d'essais exigés par les clients.
On peut donner une échelle des prix de vente de 20 à 150 euros/kg en restant dans des catégories de fibres de carbone classiques, c'est-à-dire sans aller vers les fibres très « spécifiques » à module très élevé.
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Évolution du marché des fibres de carbone base PAN
Les fibres de carbone obtenues à partir d'une base PAN (polyacrylonitrile) ont accentué leur domination sur les fibres obtenues à partir des bases brai de mésophase et autres matières premières (rayonne, résidus pétroliers, etc.).
L'évolution du marché des fibres de carbone (figure 1) montre un bon équilibrage entre les États-Unis et l'Europe, à...
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