III/3) d'un point de vue industriel et physique

La fabrication de la fibre de carbone

Les atomes et les cristaux de carbone

      La forme de carbone la plus répandue est le graphite: le graphite est le matériaux qui constitue la mine de crayon. Il est formé de couches de graphène superposées. Le graphène est un cristal de carbone où les liaisons covalentes lient les atomes de façon bidimensionnelle, c'est à dire que les cristaux sont comme des feuilles de carbone.
 Le Graphite est comme un bloc de feuilles de papier aux feuilles de carbone empilées le unes sur les autres. Cependant le graphène n'est pas très solide voire friable ( c'est pour cela que c'est une bonne mine de crayon) car un atome sur deux est "accroché" à la couche supérieure de graphène (l'autre moitié l'est à la couche inférieure. Le problème supplémentaire est que les couches de graphène sont très courtes et dans toutes les directions. Sinon, si ils étaient parfaitement empilés sur toute la longueur d'un bloc (comme des feuilles) il serait pratiquement impossible de casser le bloc ou alors il fraudait le fendre dans le sens de la longueur.

  

voici la structure moléculaire du graphite: des couches de graphène superposées les unes sur les autres.

  

   Et oui... car le graphène en lui même est diablement résistant (mais le synthétiser puis l'isoler est très compliqué). A tel pour que ceux qui ont réussi à le faire en 2010 on reçut le prix Nobel de Physique). Il possède une résistance à la rupture 200 fois supérieure à celle de l'acier et il est 6 fois plus léger. D'où l'idée de filer du graphène pour en faire des fibres ultra résistantes. Mais en fait, c'est bien plus compliqué que ça en à l'air... de filer parfaitement du graphène!
 De nos jours on arrive à faire des fibres (en fait plutôt des chaines) de cristaux de carbone plus ou moins alignées parallèlement à l’axe longitudinal de la fibre. Elle est donc très résistante dans le sens des chaines de cristaux de carbones empilées les unes sur les autres. Cela forme une feuille mince d’environ 0,005 ~ 0,010 mm de diamètre et composé essentiellement d’atomes de carbone.

Pour vous donner une idée, calculons combien de couches de graphène sont empilées dans une de ces feuilles (fibre):

-le rayon de covalence d'un atome de carbone est d'environ 70 pm; le rayon de covalence est, pour simplifier, la distance de deux atomes dans un cristal.

Donc la distance qui sépare deux atomes et donc deux couches de cristaux de carbone est de 70pm soit 70x10^-12m

-calculons donc le nombre de couche dans une fibre de 0.005mm soit 5 micromètres ou 

5x10^-6m 

 cela nous donne:

5x10^-6/70x10^-12

^{=(environ) 72 000 couches de  cristaux de carbone dans une seule fibre!}

^{Ces fibres sont ensuite regroupées sous forme de fils contenant de 1 000 à 48 000 fibres ou plus. Ce sont les "fils" du tissu de carbone que l'on voie. Elles sont ensuite regroupées en fagot de plus ou moins 5mm (soit des centaines de fils) qui sont tissées.}

ce fil contient probablement plus de 60 mille couche de cristaux

 

un maillage standard de fibre de carbone (un fagot fait environ de 1 a 5 mm et contiens des milliers de ces fils montrés ci dessus)

 Les fibres de carbone renforcées de matériaux composites sont utilisés pour fabriquer des pièces d’aéronefs et d’engins spatiaux, de carrosseries de voitures de course, des club golf, de cadres de bicyclette, et bien sûr... le VO65.

Fabrication industrielle 

Les fibres de carbone sont produites à partir de polyacrylonitrile (PAN: CH₂-CH-CN_n ). Tout d'abord, on effectue l'oxydation des fibres de PAN pendant une à deux heures, à l'air et à une température de 200 à 300 °C. Puis, la carbonisation a lieu sous une atmosphère de diazote, à une température de 1 000 à 1 500 °C pendant seulement quelques minutes. Une fois ces étapes complétées, on obtient des fibres de carbone, un matériau composé à 90 % de carbone. Il est aussi possible de faire une étape supplémentaire, celle de la graphitation. Elle nécessite une température de 2 500 à 3 000 °C pour une durée d'environ une minute. Cette dernière étape sert à obtenir un matériau composé à 99 % de carbone, ce qui le rend considérablement plus rigide mais aussi moins résistant (au chocs). Dans la fabrication de fibres de carbone de haute ou très haute résistance en traction (celle qui nous intéresse), le procédé PAN reste aujourd'hui supérieur aux autres techniques et inégalé. Il est cependant important de fixer la fibre dans le sens supportant la charge et ce très judicieusement (car sinon les couches de chaines de cristaux de carbone ne seront pas bien alignées). Les brins de chaque étage de fibres sont résistants dans une seule direction, donc peu robustes dans l’autre. Il est important d’en tenir compte quelle que soit la procédure utilisée(comme expliqué plus haut).

le composite Carbone-Époxy

Donc, on a notre tissu de carbone prêt. Mais le problème est que le tissu est encore très flexible (c'est un tissu) il faut donc leur donner une forme afin de les utiliser. Pour cela on utilise de la résine époxy:
la résine époxy (de son nom complet polyépoxydes ou polymères époxyde) est un polymère. Les polymères sont des maromolécules, c'est un peut comme une chaine de molécules attachées les unes aux autres (un peut comme les cristaux de carbone dans la fibre).

Structure d'un pré-polymère époxytéléchélique

 Elle durcit grâce à un durcisseur et à la chaleur. Ce polymère vas donc imprimer une forme à la fibre et servir de liant (si les fibres ne sont pas tissées). J'insiste sur le fait que ce n'est pas la résine qui confère au composite sa résistance mais bien la fibre de carbone. D'ailleurs dans le composite carbone utilisé sur les VO, il n'y a environ que 30% de résine.

Interview de Franck Cammas