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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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Accueil > Ressources documentaires > Matériaux > Textiles industriels > Composites à renfort textile > Fibres de carbone > Principales applications
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4. Principales applications
La figure 12 indique clairement que le marché des fibres de carbone est en croissance importante, nous pouvons considérer que les composites à base de fibres de carbone sont encore un produit « jeune » au sens du développement des matériaux.
On notera aussi les différentes phases de la jeune histoire des fibres de carbone.
Il est indiqué dans la figure 13, la répartition des applications dans le domaine du sport, de l'industrie et de l'aéronautique ainsi que les évolutions dans les années futures.
Si le niveau de croissance dans le secteur du sport reste modéré (6 % par an sur sept ans), on note un accroissement considérable des applications aéronautiques (+ 17 % par an) et industrielles (+ 14 % par an).
4.1 Aéronautique et espace
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Les premières utilisations des composites à renfort de carbone dans l'aéronautique ont commencé dès 1968 à la fois en Europe, avec les pales de l'hélicoptère Gazelle de l'Aérospatiale et les trappes d'accès des avions de chasse Vautour, et aux États-Unis, avec les volets d'atterrissage du A-4 de McDonnel-Douglas. Suite aux résultats encourageants de ces applications et aux gains de masse et d'énergie obtenus, l'Aérospatiale a réalisé à partir de 1973 des éléments en composite à renfort de carbone pour le supersonique Concorde. C'est ainsi que des élevons, trappes du train principal, divers carénages et une extrémité de voilure furent fabriqués, testés et certifiés dans le but d'une application en série. Si les connaissances acquises n'ont pas encore été concrétisées sur d'autres avions civils de transport supersoniques, ces expériences sont la base des développements des produits composites sur les avions ATR, Airbus et Boeing.
Tous les avions militaires ont leur structure constituée majoritairement de composites en fibres de carbone.
Les matériaux composites utilisés font appel majoritairement aux fibres de carbone, ces dernières pouvant être associées aux fibres de verre ou d'aramide, d'où la richesse des possibilités techniques des matériaux composites [30][31].
Les fibres de carbone, en association avec des résines ignifuges telles que les résines phénoliques, peuvent remplacer avantageusement les fibres d'aramide dans des pièces d'habillage...
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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 la fois en termes de quantités...
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