Tout sur la fibre de carbone et sa fabrication

Aussi appelé fibre de graphite ou graphite de carbone, fibre de carbone se compose de brins très fins de l'élément carbone. Ces fibres ont une résistance à la traction élevée et sont extrêmement résistantes pour leur taille. En fait, une forme de fibre de carbone - le Nanotube de carbone—Est considéré comme le matériau le plus résistant disponible. Fibre de carbone applications comprennent la construction, l'ingénierie, l'aérospatiale, les véhicules haute performance, l'équipement sportif et les instruments de musique. Dans le domaine de l'énergie, la fibre de carbone est utilisée dans la production de pales d'éoliennes, de stockage de gaz naturel et de piles à combustible pour le transport. Dans l'industrie aéronautique, il a des applications dans les avions militaires et commerciaux, ainsi que dans les véhicules aériens sans pilote. Pour l'exploration pétrolière, il est utilisé dans la fabrication de plates-formes et de tuyaux de forage en eau profonde.

Faits en bref: Statistiques sur la fibre de carbone

La fibre de carbone est fabriquée à partir de polymères organiques, qui sont constitués de longues chaînes de molécules maintenues ensemble par des atomes de carbone. La plupart des fibres de carbone (environ 90%) sont fabriquées à partir du procédé polyacrylonitrile (PAN). Une petite quantité (environ 10%) est fabriquée à partir de rayonne ou du procédé de brai de pétrole.

Les gaz, liquides et autres matériaux utilisés dans le processus de fabrication créent des effets, des qualités et des qualités spécifiques de fibre de carbone. Fabricants de fibre de carbone utilisent des formules exclusives et des combinaisons de matières premières pour les matériaux qu'ils produisent et en général, ils traitent ces formulations spécifiques comme des secrets commerciaux.

La fibre de carbone de la plus haute qualité avec le module le plus efficace (une constante ou un coefficient utilisé pour exprimer un degré numérique à une substance possède une propriété particulière, telle que l’élasticité), les propriétés sont utilisées dans des applications exigeantes aérospatial.

La création de fibre de carbone implique des processus chimiques et mécaniques. Les matières premières, appelées précurseurs, sont tirées en longs brins puis chauffées à des températures élevées dans un environnement anaérobie (sans oxygène). Plutôt que de brûler, la chaleur extrême fait vibrer les atomes de fibres si violemment que presque tous les atomes autres que le carbone sont expulsés.

Une fois le processus de carbonisation terminé, la fibre restante est constituée de longues chaînes d'atomes de carbone étroitement imbriquées avec peu ou pas d'atomes non carbonés restants. Ces fibres sont ensuite tissées en tissu ou combinées avec d'autres matériaux qui sont ensuite enroulés par filament ou moulés dans les formes et tailles souhaitées.

Les cinq segments suivants sont typiques du processus PAN pour la fabrication de fibre de carbone:

1. Filage. PAN est mélangé avec d'autres ingrédients et filé en fibres, qui sont ensuite lavées et étirées.
2. Stabilisation. Les fibres subissent une altération chimique pour stabiliser la liaison.
3. Carbonisation. Les fibres stabilisées sont chauffées à très haute température pour former des cristaux de carbone étroitement liés.
4. Traiter la surface. La surface des fibres est oxydée pour améliorer les propriétés de liaison.
5. Dimensionnement. Les fibres sont enduites et enroulées sur des bobines, qui sont chargées sur des machines à filer qui tordent les fibres en fils de différentes tailles. Plutôt que d'être tissé en tissus, les fibres peuvent également être composite matériaux, en utilisant la chaleur, la pression ou un vide pour lier les fibres avec un polymère plastique.

Les nanotubes de carbone sont fabriqués selon un processus différent de celui des fibres de carbone standard. Estimés 20 fois plus résistants que leurs précurseurs, les nanotubes sont forgés dans des fours qui utilisent des lasers pour vaporiser des particules de carbone.

La fabrication de fibres de carbone comporte un certain nombre de défis, notamment:

• La nécessité d'une récupération et d'une réparation plus rentables
• Coûts de fabrication non durables pour certaines applications: par exemple, même si une nouvelle technologie est en cours de développement, des coûts prohibitifs, l'utilisation de la fibre de carbone dans l'industrie automobile est actuellement limitée à la haute performance et au luxe Véhicules.
• Le processus de traitement de surface doit être soigneusement réglementé pour éviter de créer des creux qui entraînent des fibres défectueuses.
• Contrôle serré requis pour assurer une qualité constante
• Problèmes de santé et de sécurité, y compris irritation cutanée et respiratoire
• Arc et courts-circuits dans les équipements électriques en raison de la forte conductivité électrique des fibres de carbone

Alors que la technologie de la fibre de carbone continue d'évoluer, les possibilités de la fibre de carbone ne feront que se diversifier et augmenter. Au Massachusetts Institute of Technology, plusieurs études portant sur la fibre de carbone montrent déjà une beaucoup de promesses pour la création de nouvelles technologies de fabrication et de conception pour répondre à l'industrie émergente demande.

Le professeur agrégé de génie mécanique du MIT, John Hart, un pionnier des nanotubes, a travaillé avec ses étudiants pour transformer la technologie de fabrication, y compris la recherche de nouveaux matériaux à utiliser avec des imprimantes 3D de qualité commerciale. "Je leur ai demandé de penser complètement hors des rails; s'ils pouvaient concevoir une imprimante 3D qui n'a jamais été fabriquée auparavant ou un matériau utile qui ne peut pas être imprimé avec les imprimantes actuelles ", a expliqué Hart.

Les résultats ont été des prototypes de machines qui imprimaient du verre fondu, de la crème glacée molle et des composites en fibre de carbone. Selon Hart, les équipes d'étudiants ont également créé des machines capables de gérer «l'extrusion parallèle de polymères sur une grande surface» et d'effectuer un «balayage optique in situ» du processus d'impression.

De plus, Hart a travaillé avec le professeur agrégé de chimie du MIT Mircea Dinca sur une collaboration de trois ans récemment conclue avec Automobili Lamborghini d'étudier les possibilités de nouvelles fibres de carbone et matériaux composites qui pourraient un jour non seulement "permettre à la carrosserie complète de la voiture système de batterie ", mais conduisent à" des corps plus légers et plus solides, des convertisseurs catalytiques plus efficaces, une peinture plus fine et un transfert de chaleur amélioré du groupe motopropulseur [global] ".

Avec de telles percées étonnantes à l'horizon, il n'est pas étonnant que le marché de la fibre de carbone devrait passer de 4,7 $ en 2019 à 13,3 milliards de dollars en 2029, à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 11,0% (ou légèrement supérieur) sur la même période de temps.

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