Le carbone fibre est un textile constitué principalement de carbone. Elle est produite par filage divers à base de carbone polymères en fibres, en les traitant de supprimer la plupart des autres substances, et le tissage du matériau résultant en un tissu. Ceci est généralement noyée dans le plastique - typiquement époxy - pour former la fibre de carbone renforcée en matière plastique ou en composite de fibre de carbone. Les caractéristiques les plus remarquables du matériau sont sa haute résistance-poids-rapport et son inertie chimique relative. Ces propriétés lui confèrent un large éventail d'applications, mais son utilisation est limitée par le fait qu'il est assez cher.
Fabriquer
La production de ce matériau est généralement basée soit sur le polyacrylonitrile (PAN), un plastique utilisé dans les textiles synthétiques pour les vêtements, ou pas, une substance semblable à du goudron à partir de pétrole. Pas abord filé en fils, mais PAN est normalement sous forme fibreuse pour commencer. Elles sont converties en fibres de carbone par chauffage fort pour éliminer d'autres éléments, tels que l'hydrogène , l'oxygène et l'azote , ce procédé est connu que la pyrolyse. L'étirement des fibres au cours de cette procédure contribue à éliminer les irrégularités qui pourraient affaiblir le produit final.
Les premières fibres sont d'abord chauffés à environ 590 ° F (300 ° C) dans l'air et sous tension, dans une étape dite d'oxydation, ou de stabilisation. Cela élimine l'hydrogène des molécules et convertit les fibres en une forme plus stable mécaniquement. Ils sont ensuite chauffés à environ 1830 ° F (1000 ° C) en l'absence d'oxygène, dans une étape appelée carbonisation. Cela supprime en outre un matériau non-carbone, laissant principalement du carbone.
Quand la qualité, des fibres de haute résistance élevée sont nécessaires, une étape supplémentaire, connue sous le nom graphitisation a lieu. Le matériau est chauffé entre 1732 et 5500 ° F (1500 à 3000 ° C) afin de convertir la formation d'atomes de carbone à une structure de type graphite. Cela supprime également la majorité des atomes résiduels non-carbone. L'expression "fibres de carbone" est utilisé pour un matériau avec une teneur en carbone d'au moins 90%. Lorsque la teneur en carbone est supérieure à 99%, le matériau est parfois appelée fibre de graphite.
La fibre de carbone brut que les résultats ne obligataire bien avec les substances utilisées pour fabriquer des composites , il est donc légèrement oxydés par traitement avec des produits chimiques appropriés. Les atomes d'oxygène ajoutée à la structure de lui permettre de former des liaisons avec les matières plastiques, telles que l'époxy. Après avoir donné une fine couche protectrice, elle est tissée en fils des dimensions requises. Ceux-ci peuvent à leur tour être transformés en tissus, qui sont ensuite généralement incorporés dans les matériaux composites.
Structure et Propriétés
Une seule fibre a un diamètre d'environ 0,0002 au 0,0004 pouce (0,005 à 0,010 mm), les fils se compose de plusieurs milliers de ces fils tissés ensemble pour former un matériau extrêmement résistant. Au sein de chaque brin, les atomes de carbone sont disposés d'une manière similaire au graphite: anneaux hexagonaux assemblés à des feuilles de formulaire.Dans le graphite, ces feuilles sont planes et seulement faiblement liées entre elles, de manière à ce qu'ils coulissent à part facilement. Dans une fibre de carbone, les feuilles sont pliées et froissées, et forment de nombreux petits cristaux, de verrouillage, appelés cristallites. Plus la température utilisée dans la fabrication, plus ces cristallites à s'orienter dans l'axe de la fibre et plus grande est la résistance.
Dans un composite, l'orientation des fibres elles-mêmes est également importante. Selon cela, le matériau peut être plus fort dans une certaine direction ou aussi forte dans toutes les directions. Dans certains cas, un petit morceau peut résister à un impact de plusieurs tonnes et encore déformer de façon minimale. La nature entrelacée complexe de la fibre, il est très difficile à briser.
En termes de rapport résistance-poids, en fibre de carbone composite est le meilleur matériau que la civilisation peut produire en quantités appréciables. Les plus forts sont environ cinq fois plus résistant que l'acier et beaucoup plus léger. La recherche est en cours sur la possibilité d'introduire des nanotubes de carbone dans la matière, ce qui peut améliorer le rapport résistance-poids de 10 fois ou plus.
D'autres propriétés utiles qu'il a sont sa capacité à résister à des températures élevées et son inertie. La structure moléculaire est, comme le graphite, très stable, ce qui lui donne un point de fusion élevé et de le rendre moins susceptibles de réagir chimiquement avec d'autres substances. Il est donc utile pour les composants qui peuvent être soumis à la chaleur et pour les applications qui nécessitent une résistance à la corrosion.
Utilise
La fibre de carbone est utilisée dans de nombreux domaines où une combinaison de haute résistance et faible poids sont nécessaires. Il s'agit notamment de transports publics et privés, tels que les voitures, les avions et engins spatiaux, matériel de sport, comme les vélos de course, des skis et des cannes à pêche et la construction. Inertie relative du matériau le rendent bien adapté pour des applications dans l'industrie chimique et la médecine - il peut être utilisé dans les implants car elle ne va pas réagir avec des substances dans le corps. Dans civil génie , il a été déterminé que les vieux ponts peuvent être épargnés de la destruction et de la reconstruction à travers des renforts en fibre de carbone simples, qui sont relativement moins chers.
Économie
À partir de 2013, les usages et la demande, de la fibre de carbone ont été limitées par le coût. Un vélo fabriqué à partir de composite coûte généralement autour de quelques milliers de dollars américains (USD). Formule Un voitures de course, qui se déplacent à des vitesses de plus de 200 mph (320 kmh), peuvent coûter plus de 1 million de dollars USD pour construire et maintenir un coût déterminé en grande partie par l'utilisation généreuse de ce matériel. La demande a augmenté de façon significative, cependant, en raison principalement de l'augmentation de la production de grands avions commerciaux. Si le coût peut être considérablement réduit, il peut devenir un matériau universel pour les véhicules et les petits produits conçus pour une durabilité extrême et de légèreté.
