La fibre de carbone est un matériau se composant de fibres entre cinq et dix microns de diamètre et composée principalement d’atomes de carbone agglomérés dans des cristaux microscopiques qui sont alignés plus ou moins parallèlement à l’axe le long de la fibre.
L’alignement des cristaux rend la fibre extrêmement résistante pour sa taille.
Plusieurs milliers de fibres de carbone sont enroulés ensemble pour former un fil qui peut-être employé tel quel ou tissé.
La fibre de carbone fait partie de la famille des composites.
Il s’agit d’un assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles, mais qui ont une forte capacité d’adhésion.
C’est-à- dire qu’ils ne subissent pas de réaction chimique, mais demeurent deux entités séparées. À l’image de la fibre de carbone, la fibre de verre constitue un exemple de ce type de matériau.
‘‘l’Airbus A340 contient 12% de son poids en fibres de carbone’’
Pour en revenir aux matériaux constitutifs, ceux-ci peuvent être classés en deux
catégories :
le renforcement et la matrice.
Le renforcement est la fibre qui donne au matériau sa résistance à la traction.
Quant à la matrice, c’est en général un polymère qui sert de liant aux fibres.
La combinaison de ces éléments donne des propriétés matérielles que n’offrent pas les matériaux naturels ni même les matériaux la composant séparément.
En 1880, Thomas Edison et Joseph Saw eurent l’idée de carboniser du coton et du bambou qui devinrent une fibre de carbone servant de filament à la première ampoule électrique.
Par la suite, elle fut fabriquée à partir de coton et de rayonne. Le but recherché était évidemment d’obtenir le plus grand pourcentage possible de carbone.
À partir de 1961, elle fut fabriquée à Osaka à partir de polyacrylonitrile (PAN).
Ce fut le début de la fabrication des fibres de carbone haute performance.
Vers 1973 commence la production de cannes à pêche et de clubs de golf en fibres de carbone.
Puis les voitures(F1) l’utilisèrent et plus récemment elles servirent à la construction des pales d’éoliennes.
L’industrie automobile commence à l’utiliser bien que plus modestement.
Les industries spatiales et aéronautiques commencent à les utiliser à plus grande échelle.
Par exemple, l’Airbus A340 contient 12% de son poids en fibres de carbone, l’Airbus A380 20% et le Boeing 787 50%.
Il faut savoir que sans la diminution de poids dû aux fibres de carbone, l’Airbus A380 n’aurait sans doute jamais volé.
La fibre de carbone haute performance est obtenue à partir de polyacrylonitrile (PAN). C’est un polymère très cohésif de la famille des acryliques.
La pyrolyse appliquée à ce précurseur permet de casser la chaîne et de produire des molécules organiques plus petites.
La «colonne vertébrale» composée de carbone restera intacte alors que la chaleur retirera tout autre composant non carbonique.
Pour faire suite à cette pyrolyse, on obtiendra une seule fibre souple composée de 93 à 95% de carbone.
On peut améliorer les performances mécaniques de la fibre de carbone en chauffant entre 1500 et 2000°.
‘‘dans le domaine des composants la fabrication en fibres de carbone est plus aisée et moins couteuse qu’en silicium’’.
Elle offrira alors une résistance à la traction proche de 5000 MPa. Si elle est chauffée entre 2500 et 3000°, l’élasticité sera de l’ordre de 500GPa.
En moyenne, la résistance à la traction d’un tissu unidirectionnel sera d’environ 1270 MPa et son élasticité de 134 GPa.Comparé eaux aciers à haute performance, l’économie de poids est d’environ 50% à résidence égale.
Il semble que l’utilisation des fibres de carbone soit en pleine expansion et continuera de s’accroitre.
Tout aussi important semble être la recherche pour de nouvelles utilisations dans le domaine appelé « électronique structurale » qui fait référence à la possibilité pour les ingénieurs de mettre au point des structures intelligentes.
En outre, dans le domaine des composants la fabrication en fibres de carbone est plus aisée et moins couteuse qu’en silicium.
Les ordinateurs aussi pourraient se passer des puces en silicium.
Sans doute sommes-nous à l’aube de nouvelles découvertes pour ce matériau remarquable et prometteur.
Abdelaziz BEAUFILS
