vignette|Petits morceaux de fibres de carbone (longueur ).
La fibre de carbone se compose de fibres extrêmement fines, d'environ cinq à dix micromètres de diamètre, et est composée principalement d'atomes de carbone. Ceux-ci sont agglomérés dans des cristaux microscopiques qui sont alignés plus ou moins parallèlement à l'axe long de la fibre. L'alignement des cristaux rend la fibre extrêmement résistante pour sa taille. Plusieurs milliers de fibres de carbone sont enroulées ensemble pour former un fil, qui peut être employé tel quel ou tissé.
Ce matériau est caractérisé par sa faible densité (1,7 à 1,9), sa résistance élevée à la traction et à la compression, sa flexibilité, sa bonne conductivité électrique et thermique, sa tenue en température et son inertie chimique (sauf à l'oxydation).
Principalement utilisée comme renfort dans les matériaux composites, la fibre de carbone permet de concevoir des pièces alliant propriétés mécaniques élevées et légèreté, surpassant les performances des pièces métalliques traditionnelles. Elle est notamment utilisée dans des secteurs tels que l'automobile haut de gamme. Ces caractéristiques en font un matériau de choix, notamment dans des secteurs exigeants comme l’automobile haut de gamme, où ses multiples avantages sont particulièrement recherchés.
Historique La première application des fibres de carbone a été le développement de fils pour les lampes à incandescence. Joseph Swan produit les premières fibres en 1860. Il s'agit tout d'abord de filaments de papier carbonisé, il améliore ensuite la qualité des fils de carbone en utilisant des fibres de coton carbonisées, Londres, Longmans, Green and Co., 1946, 21-25.. À partir de 1879, Thomas Edison utilise des fibres de bambou carbonisées à haute température. En 1880, Lewis Latimer améliore le procédé de Thomas Edison pour obtenir des filaments de carbone fiables, permettant d'obtenir des durées de fonctionnement des ampoules de plusieurs centaines d'heuresLewis H. Latimer, U.S. Patent 252,386 Process Of Manufacturing Carbons. À partir de 1892, l'éclairage électrique sera délaissé au profit de l'éclairage par chauffage de manchons à incandescence pour l'éclairage public et la production de fils de carbone sera abandonnée pendant plusieurs dizaines d'années.
En 1958, voulait déterminer le point triple du carbone en chauffant à haute température du carbone dans un four à arc, il observa la formation de filaments de carbone. Il continua d'étudier la formation de ces filaments pour aboutir à une méthode de préparation qui fut brevetéeR. Bacon, Growth, Structure and Properties of Graphite Whiskers, Journal of Applied Physics, 31, 2, février 1960, 283-290.R. Bacon, Filamentary Graphite and Method for Producing the Same, US Patent 2 957 756.. Le procédé était basé sur la carbonisation de fibres de viscose, il fut utilisé par Union Carbide (dont la branche carbone deviendra ensuite Graphtec). Les propriétés mécaniques de ces fibres étaient cependant limitées car leur teneur en carbone était faible. En 1960, Akio Shindo produisit des fibres de carbone de meilleure qualité à partir de polyacrylonitrile (fibres ex-PAN). Durant la même période, Richard Millington améliorait le procédé de fabrication des fibres à partir de viscoseUS Patent No. 3,294,489.. Leur forte teneur en carbone (99 %) et leurs bonnes propriétés mécaniques permirent d'envisager leur utilisation comme renfort dans des matériaux composites. Durant cette décennie, des recherches sont menées pour trouver de nouveaux précurseurs carbonés pour obtenir des fibres. Elles aboutissent à des procédés de fabrication de fibres de carbone à partir de brai de pétrole.
En 1963, W. Watt, L. N. Phillips, et W. Johnson (Royal Aircraft Establishment à Farnborough, Hampshire) développent un procédé pour élaborer des matériaux composites. Rolls-Royce utilise ce procédé pour fabriquer les aubes de compresseur de ses moteurs RB211. Ces composites sont cependant sensibles aux chocs ( les collisions avec les oiseaux), ce qui limitera leur utilisation en aéronautique. Durant la même période, le gouvernement japonais soutient très activement le développement de la production industrielle de fibres de carbone, et plusieurs sociétés développent cette activité (Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon, Mitsubishi). Le Japon devient leader dans le domaine des fibres de carbone fabriquées à partir de PAN.
vignette|Demande mondiale en fibres de carbone.|gauche
Dans les années 1970, le marché mondial est dominé par Union Carbide qui utilise le procédé Toray. La société Courtaulds est le seul fournisseur britannique important. Cette société restera un fournisseur important de matériaux composites pour les applications dans le sport jusqu'à la fin des années 1980. Les États-Unis et l'Europe incitent aussi des sociétés telles que BASF, Celanese ou Akzo à développer la production industrielle de fibres de carbone.
vignette|Répartition par pays de la production mondiale de fibres de carbone en 2015.
Depuis la fin des années 1970, de nombreux développements ont conduit à la production de fibres ayant des propriétés mécaniques adaptées à de nombreuses applications différentes. On distingue principalement les fibres à haut module et les fibres à haute ténacité. La demande en matériaux composites est en augmentation constante, principalement portée par l'industrie aéronautique, de la défense ou éolienne. Ceci a conduit à l'apparition de nouveaux acteurs sur ce marché tels que la Chine ou la Corée du SudT. Kraus, M. Kühnel et E. Witten, Composite Market Report 2015, Carbon Composites, lire en ligne.. Plus récemment, le besoin de remplacer les précurseurs carbonés issus de ressources fossiles par des précurseurs biosourcés a conduit à une activité de recherche dans le domaine des fibres à base de lignineD. A. Baker et T. G. Rials, Recent advances in low-cost fiber manufacture from lignin, Journal of Applied Polymer Science, 130, 713-728, 2013.. Des fibres composites ont aussi été élaborées en utilisant des nanotubes de carbone comme structureP. Miaudet, Structure et propriétés de fibres de nanotubes de carbone à haute énergie de rupture, thèse de l'université Bordeaux-I, 2007, lire en ligne..
Structure On peut citer trois familles principales de fibres utilisées à grande échelleP. Delhaes et P. Olry, Fibres de carbone et matériaux composites, L'Act. Chim., 295-296, 42-46, 2006. : les fibres ex-cellulose : obtenues par carbonisation de matériaux tels que le papier ou la viscose ; les fibres ex-PAN : développées à partir des années 1960 en utilisant du PAN comme précurseur. Elles sont très utilisées comme renfort dans les composites. Deux types de fibres sont actuellement utilisées : les fibres à haute résistance ayant un allongement à la rupture important, et les fibres à haut module de Young ; les fibres ex-brais : fabriquées à partir de résidus aromatiques de la distillation du pétrole ou du charbon. Les fibres obtenues par dépôt chimique en phase vapeur à partir d'un précurseur de carbone tel que le benzène ont des propriétés et des applications différentes et sont en général appelées « nanofibres de carbone ».
Une fibre de carbone est un matériau dont la teneur en carbone est très élevée (supérieure à 90 % en masse). Au niveau atomique, une fibre est composée de feuillets de carbone polyaromatique empilés selon une structure qui peut être très proche de celle du graphite, mais qui peut aussi être plus désordonnée que le graphite (carbone turbostratique dans lequel l'empilement des feuillets de carbone comporte des défauts). Le niveau de graphitisation des fibres dépend du précurseur utilisé, mais aussi de la méthode d'élaboration utiliséeX. Huang, Fabrication and properties of carbon fibers, Materials, 2 (4), 2369-2403, 2009, lire en ligne.. L'agencement des empilements de feuillets de carbone constitue la microstructure des fibres de carbone, elle dépend aussi du précurseur de carbone et du procédé de synthèse.
Propriétés Une fibre est un matériau monodimensionnel, c'est l'arrangement des fibres en deux ou trois dimensions qui permettra d'obtenir une pièce en composite C/C ayant de bonnes propriétés mécaniques. Les propriétés d'usage d'une fibre de carbone sont donc caractérisées dans le sens longitudinal de la fibre.
Le diamètre des fibres de carbone est aujourd'hui compris entre 5 et 10 µm. La densité des fibres de carbone est de l'ordre de 1,7. Ceci permet de concevoir des matériaux composites ayant une densité similaire, ce qui représente un allègement très important par rapport à des matériaux métalliques.
L'utilisation principale des fibres de carbone est l'élaboration de matériaux composites ayant des propriétés mécaniques améliorées pour un poids réduit. Les propriétés mécaniques sont donc les caractéristiques essentielles d'une fibre. Deux paramètres sont principalement utilisés : le module d'élasticité qui correspond au rapport entre une contrainte appliquée et la déformation de la fibre ; la contrainte correspondant à la rupture de la fibre nommée « résistance à la rupture ».
vignette|Propriétés mécaniques des fibres de carbone.
Une fibre ayant un module d'élasticité élevé se déformera très peu, mais pourra se rompre pour des contraintes modérées. Utilisée comme renfort, elle pourra conduire à un matériau ayant un caractère fragile. Ce type de fibre est nommé fibre à haut module. Une fibre ayant un module d'élasticité plus modéré aura une résistance à la rupture plus importante, elle pourra conférer au matériau composite une meilleure résistance à la rupture mais une déformabilité plus importante. Si une fibre de carbone a un caractère très graphitique et une structure très ordonnée, elle aura un module d'élasticité élevé, par contre elle aura un caractère fragile. Le contrôle de cette structure est obtenu par le choix du précurseur (une fibre ex-brai est en général plus graphitique qu'une fibre ex-PAN), mais aussi par l'utilisation d'un traitement thermique à très haute température.
Les fibres de carbone étant composées de domaines graphitiques, elles profitent des propriétés électriques du graphite. Le graphite est un matériau anisotrope ayant une très bonne conductivité électrique dans le sens des plans de graphène. Comme les domaines graphitiques sont orientés dans la direction longitudinale dans les fibres, ces dernières présentent aussi de bonnes propriétés thermiques et électriques selon la direction du fil. La résistivité électrique d'une fibre diminue donc si son caractère graphitique augmente, les valeurs varient de pour une fibre à haut module (350 à ) à pour les fibres ayant des modules moins élevés (200 à )P.J. Walsh, Carbon Fibers, ASM Handbook, 21, 2001, 35-40.. La conductivité thermique est elle aussi dépendante de la structure, elle peut varier de pour des fibres de module intermédiaire à pour des fibres à haut module.
Fabrication vignette|Mécanisme de formation d'un feuillet polyaromatique à partir d'une chaîne de polyacrylonitrile.
Fibres ex-PAN Les fibres obtenues à partir de polyacrylonitrile représentent la majeure partie des renforts utilisés dans les composites. Ceci est lié au fait qu'elles peuvent avoir de bonnes propriétés mécaniques tout en ayant un coût de fabrication modéré. Le PAN est un polymère dont la formule est [-CH2-CH(CN)-]. Les étapes de fabrication sont les suivantesX. Bertrand, Comportement en milieu oxydant d'un composite carbone/carbone pour applications structurales entre 150 et dans l'aéronautique civile, thèse de l'université Bordeaux-I, 2013. : la première étape consiste à obtenir des monofilaments par filage et étirage du polymère. Ces monofilaments sont ensuite assemblés en mèches contenant plusieurs milliers de fils. Cette étape permet déjà d'obtenir une orientation préférentielle des chaînes polymériques dans le sens du fil ;