1.  Introduction

Les textiles en fibre de carbone sont utilisés dans les matériaux composites . Ceux-ci sont composés d'une "matrice" qui assure

la protection, la cohésion et l'orientation correcte d'une deuxième partie appelée "renfort" qui assure quand à elle la tenue mécanique du matériau . Le textile en fibre de carbone constitue la partie "renfort" grâce à sa grande rigidité. Le but de ces matériaux est d'obtenir au final des propriétés supérieures à celles de ses constituants.

2.  Fabrication

Les fibres de carbone sont obtenues par oxydation , pyrolyse puis par trempage dans un durcisseur ( -> schéma) de plusieurs chaînes

de polyacrylonitrile (un polymère très utilisé dans la fabrication de matériaux synthétiques) mises les unes à coté des autres qui fusionnent sous l'effet de la chaleur . Les fibres ainsi obtenues -> sont souples et composées d'environ 95% de carbone .

A partir de là, grâce à :
  • un traitement thermique on peut améliorer les propriétés mécaniques de la fibre :
    • très bonne résistance à la traction entre 1500 et 2000°C
    • bonne flexibilité entre 2500 et 3000 °C
  • un bombardement d'électron sur les fibres ( ce qui augmente le nombre de liaisons transversales covalentes entres les couches de monocristal qu'est le carbone ) , augmenter la résistance des fibres à la compression.
  • un ajout de résine obtenir des propriétés spécifiques voulues ( résistance aux UV, résistance au feu,...)
On peut donc obtenir une multitudes de fibres de carbone avec des propriétés mécaniques différentes selon les

caractéristiques recherchées . Voici deux graphiques ,l'un illustrant la résistance à la traction ,l'autre le module de Young , de deux fibres ayant reçu des traitements thermiques différents (fibre de carbone haut module a gauche et fibre de carbone haute ténacité a droite).

Ensuite ces fibres sont tissées telles le coton, le nombre de fibres par fil déterminant la qualité de celui-ci.

Enfin ces fils sont tissés selon la configuration correspondante à la caractéristique mécanique recherchée pour former le

produit textile fini 1 2 3. Voici les 3 types de tissages les plus couramment rencontrés : bonne résistance mais faible flexibilité ; bonne flexibilité mais faible résistance ; compromis entre les 2

Ces textiles sont ensuite noyés dans une matrice par le procédé de moulage le plus adéquat pour former le matériau

composite voulu. Pour plus d'infos sur les techniques de moulage et les résines utilisées ->

3.  Applications

Je ne parlerai ici que des applications en construction mais il faut savoir que les textiles en fibre de carbone sont utilisés dans

plus en plus de domaines tels que les éoliennes, l'automobile, les vélos, les raquettes de tennis, les avions, les vêtements et bien d'autres ...

Les matériaux composites avec renfort en textile en fibre de carbone sont utilisés à l'heure actuelle :

  • dans le but de renforcer des structures existantes afin d'augmenter leur capacité en chargement, d'améliorer leur comportement face aux activités sismiques ou pour la réparation de bâtiments endommagés. En effet renforcer une structure coûte beaucoup moins chère que devoir la détruire et la reconstruire. Par exemple il peut entourer une poutre pour diminuer les contraintes de cisaillement ou encore être placé sous une portée de pont et grâce à sa grande rigidité éviter une éventuelle déformation excessive . Voici un exemple de réparation effectuée par matériau composite ->
  • comme alternative (à l'acier principalement, ayant un avantage de légèreté et de résistance à la corrosion par rapport a celui-ci) comme matériau de précontrainte dans le renforcement du béton ,la maçonnerie ou dans des structures en acier par exemple.

4.  Avantages

  • L'avantage principal de ces fibres est de présenter une grande résistance mécanique (jusqu'à 10 fois celle de l'acier) pour une masse réduite (jusqu'à 75% plus légère que l'acier ).
    • Cette résistance élevée pour une taille minime (une fibre de carbone a un diamètre de 5 à 15 microns) est due au fait que les fibres de carbones sont constituées de monocristaux alignés parallèlement à l'axe de la fibre.
  • De plus, les fibres de carbone ne connaissent pas de problèmes d’allongement, de fluage, de fatigue, de pliage, de faiblesse ou de corrosion avec le temps.
  • Elles peuvent également être enroulées, tressées, enveloppées, stratifiées ou taillées de façon unique afin de répondre aux exigences de forme, de sécurité et de performance.
  • Finalement contrairement à la plupart des autres fibres , elles ne se dilatent et ne se contractent quasiment pas sous l'effet des changements de température et conduisent l'électricité (utile pour des utilisations dans l'aéronautique).

5.  Inconvénients

  • Bien que son prix se démocratise, la production actuelle étant en pleine expansion , son coût encore relativement élevé reste une cause majeure de son impopularité.
  • Dans un monde où la tendance actuelle est à une pseudo écologie ,le cas du recyclage des fibres de carbones reste un problème . Ne pouvant être refondues elles doivent être broyées ,ce qui n'est déjà pas simple , et les applications pour une seconde vie demeurent peu nombreuses ( la longueur des fibres étant diminuées par le broyage, leurs propriétés mécaniques sont fortement diminuées ).
  • Sous certaines formes les fibres de carbone ont une structure proche de celle de l'amiante d'où des risques de cancer des poumons si elles venaient à être en contact régulier avec des individus.
  • Sa bonne conductivité électrique implique des risques d'électrocution.
  • Le carbone s'oxyde à haute t° et perd donc ses propriétés ( ce problème ne se présentant que pour des applications aérospatiales et nucléaires où les t° sont assez élevées ).

6.  Alternatives

  • Si la résistance mécanique nécessaire est inférieure à celle du textile en fibres de carbone , des alternatives moins chères s'offrent à nous :
    • En bas de gamme il y a les textiles en fibres végétales telles que le lin ou le chanvre qui en plus de leur coût très démocratique sont biodégradables.
    • Maintenant si la résistance nécessaire n'est pas satisfaite avec ces derniers, il existe notamment les textiles en fibre de verre ->photo et fibres d'aramide (mieux connues sous le nom de Kevlar) qui sont actuellement les plus utilisés sur le marché . Ceux-ci présentent pour un coût modéré des propriétés suffisantes pour la plupart des applications actuelles des matériaux composites .
    voici à titre de comparaison un tableau reprenant les valeurs moyennes des propriétés mécaniques selon le type de fibre utilisé: cliquez ici!
  • Pour remédier au problème de l'oxydation du carbone à haute t° on utilise des fibres de carbure de silicium n'ayant pas cet tare. Les propriétés de celles-ci sont relativement semblables voir légèrement meilleures mais leur coût de production étant très élevé elles ne sont utilisées que pour l'aérospatial et le nucléaire.
  • De nombreuses recherches actuelles sont effectuées afin de créer de nouvelles espèces de fibres ,appelées fibres composites, combinant les avantages de ses constituants mais cela reste expérimental.

7.  Bibliographie

  • Le petit Robert
  • techno-science.net [1]
  • wikipedia.org [2]
  • businesspme.com [3]
  • passionperfomance.ca [4]
  • hexcel.com [5]
  • directindustry.fr [6]
  • sglgroup.com [7]
  • zoltek.com [8]
  • materiatech-carma.net [9]
  • mtq.gouv.qc.ca [10]