La fibre de carbone à base de polyacrylonitrile (PAN) est un matériau haute performance largement utilisé dans les domaines de l'aérospatiale, de la construction, du sport, de l'automobile et de la médecine. Cet article passe en revue l’historique du développement et l’état actuel de la fibre de carbone à base de PAN au niveau national et international, sa préparation, sa structure, ses propriétés et ses applications. Il aborde également les normes et méthodes d'essai pertinentes et propose des perspectives d'avenir.

Introduction à la fibre de carbone à base de PAN

La fibre de carbone est un matériau avancé connu pour ses propriétés mécaniques supérieures. Elle combine les caractéristiques inhérentes du carbone avec la flexibilité et la transformabilité des fibres textiles, ce qui en fait une fibre de renfort essentielle. Avec une densité inférieure à un quart de celle de l'acier et une résistance à la traction généralement supérieure à 3 500 MPa, les composites en fibre de carbone offrent une résistance 7 à 9 fois supérieure à celle de l'acier et un module élastique allant de 23 000 MPa à 43 000 MPa. Ces propriétés font de la fibre de carbone un matériau prometteur dans les applications techniques.

Les fibres de carbone à base de PAN, dérivées du polyacrylonitrile, de l'asphalte ou de la viscose, subissent des processus tels que la pré-oxydation, la carbonisation et la graphitisation, ce qui donne des fibres contenant plus de 90 % de carbone. Ces fibres présentent, entre autres propriétés, une résistance élevée, un module élevé, une faible densité, une résistance aux températures élevées, une résistance à la corrosion, une résistance au frottement, une conductivité et une faible dilatation thermique. La fibre de carbone à base de PAN est la plus largement utilisée, représentant plus de 90 % de la production en raison de son processus de fabrication simple et de ses excellentes performances globales.

1. État de développement de la fibre de carbone à base de PAN

1.1 Développement international

Le développement de la fibre de carbone à base de PAN a commencé en 1959 lorsque le japonais Akio Shindo a breveté un procédé de production de fibres de carbone haute performance à partir de polyacrylonitrile. Aujourd'hui, la production de fibre de carbone à base de PAN est dominée par de grosses fibres de câble en provenance des États-Unis et de petites fibres de câble en provenance du Japon, qui représentent environ 80 % de l'offre mondiale. De grands producteurs comme Toray, Toho et Mitsubishi au Japon dominent le marché, Toray étant le plus grand fabricant mondial de fibres de carbone à base de PAN.

1.2 Développement national

La Chine a commencé ses recherches sur la fibre de carbone dans les années 1960, réalisant des progrès lents mais réguliers. Malgré le développement de produits proches du niveau T-300 de Toray, la capacité de production nationale reste limitée. Ces dernières années, des entreprises comme Anhui Huawan Carbon Fiber ont lancé une production industrielle, mais la majeure partie de la demande chinoise en fibre de carbone est satisfaite par les importations, ce qui restreint considérablement les industries connexes.

2. Préparation, structure et performances de la fibre de carbone à base de PAN

2.1 Processus de préparation

Les fibres de carbone à base de PAN sont fabriquées à partir de fibres de polyacrylonitrile, homopolymères ou copolymères, selon des processus impliquant polymérisation, filage, pré-oxydation, carbonisation et graphitisation. La production consiste à convertir la résine polyacrylonitrile en fibres, qui sont ensuite traitées pour améliorer leurs performances et leur stabilité.

2.2 Structure

Les fibres de carbone comportent un"désordonné"structure de microcristaux de graphite empilés le long de l’axe de la fibre, influençant leurs performances. L'espacement entre les couches et la présence de vides affectent les propriétés de la fibre.

2.3 Caractéristiques de performance

Les fibres de carbone possèdent des propriétés uniques telles qu'une résistance élevée à la traction, un module élevé, une faible densité, une résistance aux températures élevées et une résistance à la corrosion. Ils présentent également une excellente résistance à la fatigue, une faible dilatation thermique, une bonne conductivité et une biocompatibilité.

3. Applications de la fibre de carbone à base de PAN

3.1 Aérospatiale

En raison de leur rapport résistance/poids élevé et de leur rigidité, les composites en fibre de carbone à base de PAN sont essentiels dans les applications aérospatiales, notamment les missiles, les fusées, les satellites et les avions.

3.2 Équipements sportifs et médicaux

Les composites en fibre de carbone sont largement utilisés dans les équipements sportifs tels que les clubs de golf, les raquettes de tennis et les vélos, ainsi que dans les implants et dispositifs médicaux.

3.3 Industrie générale

Dans l’industrie automobile, les fibres de carbone sont utilisées dans les châssis, les pistons et les systèmes de freinage des véhicules. Ils jouent également un rôle dans l’énergie éolienne, l’électronique et les infrastructures, améliorant la résistance et la durabilité de divers composants.

4. Normes pour la fibre de carbone à base de PAN

La Chine a établi plusieurs normes concernant les performances de la fibre de carbone et son application dans les composites, telles que :

• GB/T 3362-2005 : Propriétés de traction des fils multifilaments en fibre de carbone.

• GB 3362-1982 : Méthode de test du nombre de fibres dans les fils multifilaments en fibres de carbone.

• GB 3364-1982 : Méthodes d’essai de diamètre et de diamètre équivalent.

• GB/T 3355-2005 : Test de teneur en résine dans les plastiques renforcés de fibres de carbone.

Ces normes garantissent la qualité et la cohérence des produits en fibre de carbone, facilitant ainsi leur adoption et leur application plus larges.

5. Perspectives d'avenir

L’industrie de la fibre de carbone est cruciale pour les applications de matériaux modernes, passant de l’ère de l’acier à une nouvelle ère de matériaux composites. Le rôle de la fibre de carbone dans les technologies avancées et les applications industrielles continuera de croître, grâce à la recherche et au développement continus. Pour y parvenir, la Chine doit s’efforcer de surmonter les défis techniques et d’améliorer ses processus de production afin de réduire sa dépendance aux importations et de renforcer ses capacités nationales.