Tout sur la fibre de carbone

Tout savoir sur la fibre de carbone est très important pour toute personne moderne. En comprenant la technologie de production de carbone en Russie, la densité et d'autres caractéristiques de la fibre de carbone, il sera plus facile de comprendre la portée de son application et de faire le bon choix. En outre, vous devez tout savoir sur le mastic et le chauffage au sol avec de la fibre de carbone, sur les fabricants étrangers de ce produit et sur divers domaines d'application.

Les noms fibre de carbone et fibre de carbone, et dans un certain nombre de sources également fibre de carbone, sont très courants. Mais l'idée des caractéristiques réelles de ces matériaux et des possibilités de leur utilisation est assez différente pour beaucoup de gens. D'un point de vue technique, ce matériau est assemblé à partir de fils d'une section transversale d'au moins 5 et d'au plus 15 microns... Presque toute la composition est composée d'atomes de carbone - d'où le nom. Ces atomes eux-mêmes sont regroupés en cristaux croustillants qui forment des lignes parallèles.

Cette conception offre une résistance à la traction très élevée. La fibre de carbone n'est pas une invention complètement nouvelle. Les premiers échantillons d'un matériau similaire ont été reçus et utilisés par Edison. Plus tard, au milieu du vingtième siècle, la fibre de carbone a connu une renaissance - et depuis lors, son utilisation n'a cessé d'augmenter.

La plus importante des caractéristiques de la fibre de carbone reste sa résistance à la chaleur exceptionnelle... Même si la substance est chauffée jusqu'à 1600 - 2000 degrés, en l'absence d'oxygène dans l'environnement, ses paramètres ne changeront pas. La densité de ce matériau, avec l'habituel, est également linéaire (mesurée dans ce qu'on appelle le tex). Avec une densité linéaire de 600 tex, la masse de 1 km de nappe sera de 600 g. Dans de nombreux cas, le module d'élasticité du matériau, ou, comme on dit, le module de Young, est également d'une importance critique.

Pour les fibres à haute résistance, ce chiffre varie de 200 à 250 GPa. La fibre de carbone à haut module à base de PAN a un module d'élasticité d'environ 400 GPa. Pour les solutions à cristaux liquides, ce paramètre peut varier de 400 à 700 GPa. Le module d'élasticité est calculé sur la base de l'estimation de sa valeur lorsque des cristaux de graphite individuels sont étirés. L'orientation des plans atomiques est établie à l'aide d'une analyse par diffraction des rayons X.

La tension superficielle par défaut est de 0,86 N/m. Lors du traitement du matériau pour obtenir une fibre composite métal, ce chiffre s'élève à 1,0 N / m. La mesure par la méthode de remontée capillaire permet de déterminer le paramètre correspondant. Le point de fusion des fibres à base de brais de pétrole est de 200 degrés. La rotation a lieu à environ 250 degrés; le point de fusion des autres types de fibres dépend directement de leur composition.

La largeur maximale des toiles de carbone dépend des exigences et des nuances technologiques. Pour de nombreux fabricants, il est de 100 ou 125 cm. Quant à la résistance axiale, elle sera égale à :

• pour les produits à haute résistance basés sur le PAN de 3000 à 3500 MPa;
• pour les fibres à allongement important, strictement 4500 MPa ;
• pour matériau haut module de 2000 à 4500 MPa.

Les calculs théoriques de la stabilité d'un cristal sous une force de traction vers le plan atomique du réseau donnent une valeur estimée de 180 GPa.La limite pratique attendue est de 100 GPa. Cependant, les expériences n'ont pas encore confirmé la présence d'un niveau supérieur à 20 GPa. La vraie résistance de la fibre de carbone est limitée par ses défauts mécaniques et les nuances du processus de fabrication. La résistance à la traction d'un profilé d'une longueur de 1/10 mm établie en études pratiques sera de 9 à 10 GPa.

La fibre de carbone T30 mérite une attention particulière. Ce matériau est principalement utilisé dans la production de tiges. Cette solution se distingue par sa légèreté et son excellent équilibre. L'indice T30 désigne un module d'élasticité de 30 tonnes.

La fibre de carbone peut être fabriquée à partir d'une grande variété de types de polymères. Le mode de traitement détermine deux types principaux de ces matériaux - les types carbonisés et graphitisés. Il existe une distinction importante entre la fibre dérivée du PAN et les différents types de pas. Les fibres de carbone de qualité, à haute résistance et à module élevé, peuvent avoir différents niveaux de dureté et de module. Il est d'usage de les référer à des marques différentes.

Les fibres sont fabriquées sous forme de filament ou de faisceau. Ils sont formés de 1000 à 10000 filaments continus. Des tissus à partir de ces fibres peuvent également être réalisés, comme des câbles (dans ce cas, le nombre de filaments est encore plus important). La matière première de départ n'est pas seulement des fibres simples, mais aussi des brais à cristaux liquides, ainsi que du polyacrylonitrile. Le processus de production implique d'abord la production des fibres d'origine, puis elles sont chauffées à l'air à 200 - 300 degrés.

Dans le cas du PAN, ce processus est appelé prétraitement ou amélioration de la résistance au feu. Après une telle procédure, la poix acquiert une propriété aussi importante que l'infusibilité. Les fibres sont partiellement oxydées. Le mode de chauffage ultérieur détermine s'ils appartiendront au groupe carbonisé ou graphitisé. La fin des travaux implique de donner à la surface les propriétés nécessaires, après quoi elle est finie ou dimensionnée.

L'oxydation dans l'air augmente la résistance au feu non seulement en raison de l'oxydation. La contribution est apportée non seulement par la déshydrogénation partielle, mais également par la réticulation intermoléculaire et d'autres processus. De plus, la sensibilité du matériau à la fusion et à la volatilisation des atomes de carbone est réduite. La carbonisation (en phase haute température) s'accompagne d'une gazéification et de l'échappement de tous les atomes étrangers.

Leur carbonisation ultérieure est effectuée dans un environnement d'azote à 1000 - 1500 degrés. Le niveau de chauffage optimal, selon un certain nombre de technologues, est de 1200 à 1400 degrés. La fibre à haut module devra être chauffée jusqu'à environ 2500 degrés. Au stade préliminaire, PAN reçoit une microstructure en échelle. La condensation au niveau intramoléculaire, accompagnée de l'apparition d'une substance aromatique polycyclique, est "responsable" de son apparition.

Plus la température augmente, plus la structure de type cyclique sera grande. Après la fin du traitement thermique selon la technologie, la disposition des molécules ou fragments aromatiques est telle que les axes principaux seront parallèles à l'axe de la fibre. La tension empêche la chute du degré d'orientation. Les particularités de la décomposition du PAN lors du traitement thermique sont déterminées par la concentration en monomères greffés. Chaque type de telles fibres détermine les conditions de traitement initiales.

Le brai de pétrole à cristaux liquides doit être conservé longtemps à des températures de 350 à 400 degrés. Ce mode conduira à la condensation de molécules polycycliques. Leur masse augmente et un collage se produit progressivement (avec formation de sphérolites). Si le chauffage ne s'arrête pas, les sphérolites grossissent, le poids moléculaire augmente et il en résulte la formation d'une phase cristalline liquide continue. Les cristaux sont parfois solubles dans la quinoléine, mais ils ne se dissolvent généralement pas à la fois dans celle-ci et dans la pyridine (cela dépend des nuances de la technologie).

Les fibres obtenues à partir de brai à cristaux liquides avec 55 à 65% de cristaux liquides s'écoulent plastiquement. Le filage est effectué à 350 - 400 degrés. Une structure hautement orientée est formée par un chauffage initial dans une atmosphère d'air à 200 - 350 degrés et un maintien ultérieur dans une atmosphère inerte. Les fibres de la marque Thornel P-55 doivent être chauffées jusqu'à 2000 degrés, plus le module d'élasticité est élevé, plus la température doit être élevée.

Récemment, les travaux scientifiques et techniques accordent de plus en plus d'attention à la technologie utilisant l'hydrogénation. La production initiale de fibres est souvent réalisée en hydrogénant un mélange de brai de houille et de résine naphtalate. Dans ce cas, la tétrahydroquinoléine doit être présente. La température de traitement est de 380 à 500 degrés. Les solides peuvent être éliminés par filtration et centrifugation ; puis les brais sont épaissis à une température élevée. Pour la production de carbone, il est nécessaire d'utiliser (selon la technologie) des équipements assez variés :

• couches qui distribuent le vide;
• pompes;
• harnais d'étanchéité;
• tables de travail;
• pièges;
• maille conductrice;
• films sous vide;
• préimprégnés;
• autoclaves.

Les fabricants de fibre de carbone suivants sont leaders sur le marché mondial :

• Thornell, Fortafil et Celion (États-Unis) ;
• Grafil et Modmore (Angleterre) ;
• Kureha-Lone et Toreika (Japon) ;
• Cytec Industries ;
• Hexcel ;
• Groupe SGL ;
• Industries Toray;
• Zoltek ;
• Mitsubishi Rayonne.

Aujourd'hui, le carbone est produit en Russie :

• usine de carbone et de matériaux composites de Tcheliabinsk;
• Production de carbone de Balakovo ;
• NPK Khimprominzhiniring;
• Entreprise de Saratov "START".

La fibre de carbone est utilisée pour fabriquer des renforts composites. Il est également courant de l'utiliser pour obtenir :

• tissus bidirectionnels;
• tissus de créateurs;
• tissu biaxial et quadroaxial;
• tissu non tissé;
• bande unidirectionnelle;
• préimprégnés;
• renfort externe;
• fibre;
• harnais.

Une innovation assez sérieuse est maintenant plancher chaud infrarouge. Dans ce cas, le matériau est utilisé en remplacement du fil métallique traditionnel. Il peut générer 3 fois plus de chaleur, de plus, la consommation d'énergie est réduite d'environ 50%. Les amateurs de modelage aux techniques complexes utilisent souvent des tubes de carbone obtenus par bobinage. Ces produits sont également demandés par les constructeurs de voitures et d'autres équipements. La fibre de carbone est souvent utilisée pour les freins à main, par exemple. En outre, sur la base de ce matériel, obtenez :

• pièces pour modèles d'avions;
• cagoules monoblocs;
• Vélos;
• pièces pour tuning voitures et motos.

Les panneaux en tissu de carbone sont 18 % plus rigides que l'aluminium et 14 % plus rigides que l'acier de construction... Des manchons à base de ce matériau sont nécessaires pour obtenir des tuyaux et des tubes de section variable, des produits en spirale de différents profils. Ils sont également utilisés pour la production et la réparation de clubs de golf. Il convient également de souligner son utilisation. dans la production d'étuis particulièrement durables pour smartphones et autres gadgets. Ces produits sont généralement de qualité supérieure et ont des qualités décoratives améliorées.

Quant à la poudre de type graphite dispersée, il faut :

• lors de la réception de revêtements électriquement conducteurs ;
• lors de la libération de colle de différents types;
• lors du renforcement des moules et de certaines autres pièces.

Le mastic en fibre de carbone est meilleur que le mastic traditionnel à plusieurs égards. Cette combinaison est appréciée par de nombreux experts pour sa plasticité et sa résistance mécanique. La composition est adaptée pour couvrir les défauts profonds. Les tiges ou tiges de carbone sont solides, légères et durables. Un tel matériel est nécessaire pour :

• aviation;
• l'industrie des fusées ;
• sortie d'équipements sportifs.

Par pyrolyse de sels d'acides carboxyliques, des cétones et des aldéhydes peuvent être obtenus.Les excellentes propriétés thermiques de la fibre de carbone lui permettent d'être utilisée dans les appareils de chauffage et les coussins chauffants. Ces appareils de chauffage :

• économique;
• fiable;
• se distinguent par une efficacité impressionnante;
• ne pas diffuser de rayonnement dangereux ;
• relativement compact;
• parfaitement automatisé ;
• exploité sans problèmes inutiles;
• ne pas diffuser de bruits parasites.

Les composites carbone-carbone sont utilisés dans la production de :

• supports pour creusets;
• pièces coniques pour fours de fusion sous vide;
• pièces tubulaires pour eux.

Les domaines d'application supplémentaires comprennent :

• couteaux faits maison;
• utilisation pour une soupape à pétales sur les moteurs ;
• utilisation dans le bâtiment.

Les constructeurs modernes ont longtemps utilisé ce matériau non seulement pour le renforcement externe. Il est également nécessaire pour renforcer les maisons en pierre et les piscines. La couche de renfort collée restitue les qualités des supports et des poutres dans les ponts. Il est également utilisé lors de la création de fosses septiques et de l'encadrement de réservoirs naturels et artificiels, lors de travaux avec un caisson et une fosse de silo.

Dans la vidéo suivante, vous trouverez plus d'informations sur la production de fibre de carbone.