Fibres de carbone

Fibres de carbone
par
Jean LUYCKX
Ingénieur CNAM (Conservatoire National des Arts et Métiers) (Chimie Industrielle)
Détaché par Elf Atochem à la Direction Technique de la société Soficar,
en charge des qualifications aéronautiques et du développement
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
2.
2.1
Procédés de fabrication des fibres de carbone...............................
Fibres obtenues à partir de rayonne ..........................................................
Fibres obtenues à partir de PAN.................................................................
1.2.1 Précurseur ...........................................................................................
1.2.2 Traitements thermiques .....................................................................
1.2.3 Traitements de surface .......................................................................
1.2.4 Ensimage.............................................................................................
Fibres obtenues à partir de brai .................................................................
1.3.1 Précurseur ...........................................................................................
1.3.2 Mésophase ..........................................................................................
Comparaison des fibres de carbone ex-PAN et ex-brai............................
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—
3
—
3
—
3
—
3
—
5
—
5
—
6
—
6
—
6
—
7
Propriétés physiques et chimiques.....................................................
Propriétés mécaniques................................................................................
2.1.1 Propriétés en traction .........................................................................
2.1.2 Classement des fibres de carbone selon leurs propriétés
en traction ...........................................................................................
2.1.3 Comparaison avec les autres fibres de renforcement.....................
2.1.4 Comparaison avec les matériaux métalliques .................................
Autres propriétés physiques.......................................................................
2.2.1 Propriétés électriques.........................................................................
2.2.2 Propriétés thermiques........................................................................
2.2.3 Transparence aux rayons X ...............................................................
—
—
—
8
8
8
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—
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—
—
—
—
8
8
8
11
11
11
12
3.
3.1
3.2
Matériaux particuliers ............................................................................
Composites carbone/carbone.....................................................................
Fibres de carbone métallisées ....................................................................
—
—
—
12
12
13
4.
4.1
4.2
4.3
Marchés et applications.........................................................................
Production mondiale ...................................................................................
Marchés ........................................................................................................
Principales applications ..............................................................................
4.3.1 Aéronautique et espace .....................................................................
4.3.2 Sport ....................................................................................................
4.3.3 Autres applications.............................................................................
—
—
—
—
—
—
—
13
13
13
13
13
14
14
5.
Conclusion .................................................................................................
—
15
2.2
Doc. A 2 210
2 - 1994
Pour en savoir plus...........................................................................................
a fibre de carbone est obtenue par pyrolyse d’une fibre organique appelée
précurseur. Elle offre deux possibilités d’utilisation : la première en tant que
carbone pour les propriétés de cet élément, la seconde en tant que fibre flexible
et qui convient à toutes les formes de produits finis.
Les propriétés caractéristiques du carbone sont liées à sa structure de type
graphite : faible coefficient de frottement, bonne résistance à l’usure, faible coefficient de dilatation linéique, haute tenue en température en service continu,
bonne conductivité électrique, très grande résistance aux produits chimiques et
à la corrosion.
A 2 210
L
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A 2 210 − 1
FIBRES DE CARBONE
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Les propriétés physiques et mécaniques des fibres de carbone dépendent
elles-mêmes :
— de la nature chimique du précurseur ;
— des conditions physiques et chimiques de fabrication des fibres du
précurseur ;
— des procédés et des conditions de traitement thermique du précurseur.
Les caractéristiques physiques et mécaniques des fibres de carbone, spécialement celles des fibres dites « haut module » et « haute ténacité », sont utilisées
dans les matériaux composites. Le choix des résines et la technologie utilisée
modifient les caractéristiques des fibres de carbone.
La fibre de carbone à hautes performances idéale serait une fibre qui présenterait les propriétés mécaniques théoriques du graphite monocristallin, soit
une résistance à la rupture en traction de 180 GPa et un module de traction
de 1 020 GPa.
1. Procédés de fabrication
des fibres de carbone
Historique
La première fibre de carbone, obtenue en 1880 par
T. Edison à partir d’une fibre de bambou, fut brevetée et
utilisée comme filament dans une lampe à incandescence. Puis elle fut réinventée à la fin des années 50 par la
Barnebey-Cheney Company et la National Carbon Company aux
États-Unis et le Carbone-Lorraine en France. La fibre était fabriquée à partir de tresses, de tissus ou d’un mat de fibres de
rayonne agrafé puis chauffé sur un cadre rigide. Ce type de fibres
de carbone était utilisé comme tissu de filtration, comme réfractaire, ou comme fibres de renforcement dans les composites
antiabrasion carbone-carbone.
Au début des années 60, les recherches-développements se
sont focalisés sur l’obtention de fibres de carbone de haut
module et de haute ténacité. Shindo de l’Institut de Recherche
Industrielle d’Osaka (Japon) trouva et breveta en 1961 un procédé d’obtention de fibres de carbone à partir de fibres de
polyacrylonitrile (PAN), de résistance en traction : 1 500 MPa et
de module de traction : 150 GPa.
En 1964, la société Union Carbide (USA) démarra une
production commerciale de fibres de carbone obtenue à
partir de rayonne, le Thornel 25 de résistance en traction :
1 250 MPa et de module de traction : 175 GPa.
Watt et Phillips, de l’Atomic Energy Research Establishment de
Harwell (Grande-Bretagne), développèrent des fibres de carbone
à partir de PAN avec un rendement de carbonisation (§ 1.2.2.2)
supérieur à celui obtenu à partir de la rayonne. L’idée de régler
la tension des précurseurs pendant toute la durée du traitement
thermique, clé de l’obtention de fibres de haut module, fut
découverte indépendamment par Bacon (Union Carbide),
Shindo et Watt.
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Historique
Watt et Johnson continuèrent d’étudier la technologie d’obtention d’une fibre de carbone à hautes performances ex-PAN [1] au
Royal Aircraft Establishment (Grande-Bretagne). Trois
compagnies anglaises, Morgan Crucible, Rolls Royce et
Courtaulds, acquirent la licence et commencèrent en 1967 la
fabrication de fibres de carbone sous forme semi-industrielle.
Suite au brevet déposé par Shindo, deux compagnies japonaises
eurent la possibilité de l’utiliser. Nippon Carbon et Tokai
Denkyoku démarrèrent une petite production en 1969.
En 1970, Toray Industries (Japon) et Union Carbide (USA)
signèrent un accord d’échange technique, le précurseur étant
fourni par Toray. En 1971, Toray démarra une production et une
commercialisation de fibres de carbone ex-PAN, suivi par
Hercules (USA) et Le Carbone-Lorraine en collaboration avec
Rhône-Poulenc (France) en 1972 et Toho Beslon /Rayon (Japon)
en 1973. Depuis, les propriétés mécaniques des fibres de
carbone ex-PAN ont été améliorées, leur conférant une place
privilégiée comme matériau à hautes performances pour des
applications structurales dans l’aéronautique.
La transformation par pyrolyse des fibres de brai, issu de
la houille ou du pétrole, en fibres de carbone fut étudiée
par Ohtani à l’université de Gunma au Japon en 1964 et
par le CERCHAR en France de 1969 à 1972. Les premières fibres
de carbone fabriquées à partir de précurseurs brais sont apparues dans les années 70. Ce type de fibres fut produit et
commercialisé par Kureha Chemical Industry au Japon et par
Ashland Petroleum, Amoco et Exxon aux États-Unis.
Singer (Union Carbide) trouva que, pour obtenir une
fibre de carbone à haute performance ex-brai, le choix de
la matière première était fondamental. Sur cette base, en 1975,
Union Carbide développa la série des Thornel P, fibres de
carbone de haut module. À titre d’exemple, le Thornel P 120
possède un module de traction de 825 GPa, ce qui représente
plus de 80 % du module théorique du graphite (1 020 GPa). Les
procédés correspondants ont évolué en permanence pour
conduire de nos jours à des fibres dont la résistance en traction
atteint celles des premières générations de fibres ex-PAN.
Si, dès 1967, des industries de hautes technologies, telle
l’industrie aéronautique, tant aux États-Unis qu’en Europe, ont
commencé à utiliser des composites à renfort carbone en
remplacement des matériaux métalliques [2], il fallut attendre
1974 pour voir les premières utilisations industrielles. Sous
l’impulsion des producteurs japonais de fibres de carbone, ces
premières applications se firent en Asie dans le domaine du
sport avec les fabrications de clubs de golf et de cannes à
pêche.
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___________________________________________________________________________________________________________________ FIBRES DE CARBONE
1.1 Fibres obtenues à partir de rayonne
Les premières fibres de carbone étaient fabriquées à partir de
tresses, de tissus ou d’un mat de fibres de rayonne, l’ensemble étant
agrafé sur un cadre rigide et chauffé dans une première étape
à 1 000 -1 500 oC pour transformer la cellulose en carbone sous
atmosphère inerte, puis à 2 000-2 500 oC pour obtenir une meilleure
résistance à l’oxydation à température élevée. Aucune tension
particulière n’était appliquée pendant le traitement thermique ; c’est
pourquoi les propriétés mécaniques des fibres de carbone obtenues
n’étaient pas aussi élevées que celles obtenues aujourd’hui à partir
d’un précurseur sous tension contrôlée pendant le traitement thermique vers 1 500 oC. De plus hauts modules et de plus hautes ténacités furent en effet obtenus en augmentant la tension et les
températures du traitement thermique (tableau 1). La production de
ces fibres cessa lorsqu’elles perdirent leur compétitivité économique
vis-à-vis des fibres de carbone obtenues à partir de PAN et de brais
mésophases (§ 1.3.2). Les principales raisons en étaient le coût des
matières premières et des procédés, le tout accentué par les propriétés mécaniques moins performantes des fibres.
(0)
Tableau 1 – Propriétés mécaniques en traction
des fibres de carbone fabriquées entre 1960 et 1974
à partir de fibres de rayonne
Producteur
Union Carbide
Produit
commercialisé
Thornel
Thornel
Thornel
Thornel
25
40
50
100
Module
de traction
(GPa)
Résistance
en traction
(MPa)
175
280
350
700
1 250
1 750
2 000
3 500
1.2 Fibres obtenues à partir de PAN
Après filage, les monofilaments peuvent être étirés jusqu’à 500 %
d’allongement, afin de leur conférer une orientation axiale préférentielle. Cette opération est souvent accompagnée de traitements
à chaud par passage sur des rouleaux chauffants ou dans de la
vapeur d’eau.
La plupart des précurseurs PAN sont constitués de 1 000 à 1 200
filaments d’environ 0,16 tex ou mg/m et d’un diamètre de 10 à 20 µm.
Certains précurseurs PAN peuvent contenir 24 000 ou 48 000, voire
320 000 filaments comme dans les PAN à usage textile, mais ils ne
permettent pas d’obtenir des fibres de carbone à très hautes
performances.
1.2.2 Traitements thermiques
L’ensemble du procédé d’obtention des fibres de carbone à partir
de PAN est présenté sur la figure 1.
1.2.2.1 Oxydation
L’étape d’oxydation du précurseur s’effectue dans un four régulé
sous air, à des températures se situant entre 200 et 300 oC pendant
un temps pouvant varier de 30 min à 3 h, selon les profils tempstempératures propres à chaque procédé. L’oxydation du PAN est une
réaction fortement exothermique (dégageant jusqu’à 3 800 kJ/kg).
Elle exige un contrôle très rigoureux de la cinétique si l’on veut éviter
la fusion des monofilaments. Lors de l’oxydation, le précurseur, dont
la masse apparente n’augmente que de quelques pour-cent, subit
de très profondes modifications physiques et chimiques. Les filaments de PAN passent d’un état plastique à un état infusible thermiquement stable. Chimiquement, le précurseur est partiellement
déshydrogéné par oxydation et des doubles liaisons apparaissent.
Le PAN de formule chimique simplifiée (C3H3N)n se transforme en
(C3H1, 4NO0,6 )m . Plusieurs modèles de structures de types cycloaromatiques ont été proposés [5]. Le modèle de Takahagi et coll. est
donné sur la figure 2. Pendant cette étape et l’étape suivante – la
carbonisation – les propriétés élastiques de la fibre se modifient en
continu. Il est donc essentiel de maintenir en permanence une tension appropriée si l’on veut conserver une orientation axiale à la fibre.
1.2.1 Précurseur
1.2.2.2 Carbonisation
Les fils de polyacrylonitrile (PAN) précurseur sont fabriqués
selon la technologie bien établie de polymérisation et de filage des
fibres acryliques à usage textile par voie solvant, mais avec des différences sensibles.
Différents comonomères peuvent être utilisés, par exemple
l’acrylate ou le méthacrylate de méthyle, et leurs taux varient d’un
fabricant à l’autre. Ces comonomères sont aussi choisis pour favoriser la stabilisation du précurseur lors de l’étape d’oxydation et pour
éviter la fusion des monofilaments. Pour les mêmes raisons, les filaments du précurseur sont généralement recouverts d’un agent de
protection (finish) tel un corps gras ou un produit siliconé, qui a pour
but d’éviter la fusion, de prévenir le collage des filaments entre eux
et de participer éventuellement au mécanisme d’oxydation en
limitant l’effet exothermique.
Chaque fabricant utilise un solvant du PAN et une solution coagulante différente. Ces choix, liés aux procédés, sont importants car
ils déterminent la pureté du PAN qui est directement liée à sa stabilité
thermique. La forme et le diamètre du monofilament dépendent de
la forme et du diamètre de la filière utilisée ainsi que du couple
solvant/solution coagulante. Différents degrés de régularité de surface peuvent être obtenus selon le solvant et la solution coagulante
utilisés [3]. La nature des impuretés métalliques présentes dans la
fibre de carbone dépend des impuretés présentes dans le PAN précurseur et des sels utilisés lors de la fabrication du précurseur [4].
À titre indicatif, les fibres d’Hercules (USA), IM-6G et ASA-W,
contiennent environ 1 000 ppm de sodium (soit 0,1 % en masse), ce
qui fait penser à l’utilisation de comonomères contenant du sodium.
La fibre de BASF, le Celion G-40X, contient plus de 100 ppm de zinc
provenant vraisemblablement du chlorure de zinc en solution
aqueuse employé pour dissoudre le PAN.
Le précurseur stabilisé pendant l’étape précédente est carbonisé
sous azote, jusqu’à des températures de l’ordre de 1 200 à 1 500 oC
pendant un temps qui peut varier de 2 à 10 min. Dans cette étape,
environ 60 % de la masse du PAN oxydé sont éliminés sous forme
de gaz. Ces gaz sont essentiellement constitués par de la vapeur
d’eau, des dérivés carbonés CO2 , CO, CH4 et azotés HCN, N2 , NH3 .
Figure 1 – Principe du procédé de fabrication des fibres de carbone
ex-PAN
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FIBRES DE CARBONE
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Figure 3 – Microtexture d’une fibre de carbone de haute résistance
ex-PAN (d’après [6])
Figure 2 – Processus physico-chimiques de transformation
des fibres de carbone ex-PAN
La microstructure de la fibre de carbone, c’est-à-dire l’arrangement
des plans polyaromatiques, varie de façon continue. Les caractéristiques mécaniques de la fibre sont directement liées au
réarrangement qui s’effectue pendant ce processus. Après cette opération, une fibre dite « haute résistance » est obtenue. Elle peut être
considérée comme chimiquement amorphe. Les zones cristallines
sont désordonnées et peu développées. Cette fibre est constituée
d’un empilement de couches carbonées polyaromatiques, d’un diamètre de l’ordre de 1 nm. Ces unités structurales de base (USB) sont
raccordées entre elles par des jonctions présumées contenir des
hétéroatomes (N, H) dans des liaisons chimiques distordant la structure. La structure globale est orientée axialement et froissée dans
un plan perpendiculaire à l’axe de la fibre (figure 3). Selon les auteurs
du modèle, les propriétés mécaniques de la fibre sont liées à la densité des liaisons entre USB et à la compacité de la texture [6]. Une
fibre « carbonisée » contient entre 90 et 97 % de carbone, moins
de 10 % d’azote, environ 1 % d’oxygène et moins de 1 % d’hydrogène. En règle générale, les propriétés mécaniques, dont le module
de traction, augmentent avec la température du traitement de la
carbonisation [7], alors que la ténacité atteint son optimum
vers 1 400 oC (figure 4).
A 2 210 − 4
Figure 4 – Effets de la température de traitement thermique
sur les propriétés mécaniques en traction des fibres de carbone
ex-PAN (d’après [7])
L’augmentation en continu du module de traction avec la température de carbonisation et l’optimum de la résistance en traction
obtenu vers 1 400 oC expliquent bien les voies d’obtention de deux
types de fibres de carbone, l’un « haute résistance » et l’autre « haut
module », que permet le PAN.
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1.2.2.3 Graphitisation
Dans cette étape, la fibre carbonisée est portée, sous gaz inerte,
quelques minutes à une température de 2 000 à 3 000 oC. La fibre
contient alors plus de 99 % de carbone. Cette opération permet
d’obtenir une fibre dite « haut module ». Comparée à la fibre
carbonisée, la fibre graphitisée possède une structure où l’unité
structurale de base contient un nombre de couches polyaromatiques
plus élevé (une dizaine ou plus), d’un diamètre de l’ordre de 5 nm.
Les soudures entre USB conduisent à une structure plus compacte,
plus dense et plus continue.
Cette structure cristalline (figure 5) possède une rigidité plus
élevée que la structure de la fibre dite « haute résistance » [8]. Nous
nous garderons cependant d’aller plus en avant dans l’interprétation
des relations structure-propriétés qui font encore l’objet de
recherches et donnent lieu à bien des débats.
1.2.3 Traitements de surface
D’autres procédés tels que le traitement thermique par plasma
ou l’immersion des fibres dans une solution oxydante puis chauffage dans un four peuvent être mentionnés [11] [12].
La plupart des fabricants utilisent aujourd’hui l’oxydation électrolytique qui peut être contrôlée rapidement, appliquée en continu,
dans un temps relativement court.
La couche de surface oxydée créée est fine et peut être renouvelée
rapidement par l’attaque de la couche immédiatement inférieure. Il
n’est donc pas nécessaire que ce traitement dure longtemps. La
teneur en oxygène chimiquement liée à la fibre se situe aux environs
de 1 %.
À titre d’exemple, après oxydation modérée, l’analyse spectrale de
l’oxygène dans des fibres de haute résistance donne la composition
suivante : hydroxyle (OH) : 73 %, carbonyle (CO) : 10 % et carboxyle
(COOH) : 17 %. La poursuite de l’oxydation fait passer ces taux respectivement à 24 %, 22 % et 54 % [13]. Cela est attesté par les spectres
obtenus en analyse de surface, en particulier par ESCA [14].
Nota : ESCA : Electron Spectroscopy for Chemical Analysis.
La fibre de carbone est principalement utilisée dans le renforcement des matériaux composites employés comme éléments structuraux. Le carbone est chimiquement peu réactif et présente
naturellement une faible adhérence vis-à-vis d’une matrice polymérique. Il est donc essentiel de fabriquer des fibres qui posséderont
une bonne adhérence. Cette condition est obtenue en traitant la fibre
en surface par un procédé physique ou chimique.
Un procédé physique peut être, par exemple, la « whiskérisation ».
Il aura pour effet de créer des fibrilles tout au long des monofilaments
qui serviront d’agent de liaison.
Un procédé chimique peut être un traitement de surface par oxydation. Il aura pour effet de créer, sur les couches superficielles de
la fibre, des fonctions chimiques polaires qui sont essentiellement
– dans le cas habituel d’un traitement par oxydation électrolytique
ou chimique – des dérivés d’oxydation du carbone, c’est-à-dire des
fonctions hydroxyle, cétone, carboxyle, pour ne citer que les
principales. Les procédés chimiques d’oxydation peuvent être, par
exemple, le passage des fibres de carbone dans :
— un bain bouillant d’acide nitrique à 60-70 % pendant plusieurs
heures [9] ;
— une phase gazeuse sous air à 450 oC pendant quelques
minutes ;
— une solution électrolytique d’acide sulfurique, de soude, de
bicarbonate d’ammonium où le courant électrique passe via une
anode en fibre de carbone [10].
Figure 5 – Microtexture d’une fibre de carbone de haut module
ex-PAN (d’après [8])
L’influence du traitement de surface est surtout importante au
niveau de l’adhérence fibre-matrice [15]. Dans le cas très courant des
résines époxydes, l’analyse du phénomène se fait par la mesure du
cisaillement interlaminaire [16] en comparant des fibres traitées, non
traitées ou surtraitées en surface (figure 6). L’amélioration des résistances en traction et au cisaillement interlaminaire des composites
unidirectionnels avec le niveau (essentiellement la durée) de traitement de surface est constatée avec un optimum correspondant au
traitement industriel standard. Dans le cas des composites quasi
isotropes [17], les résultats de mesures de résistance en compression (figure 7) confirment ces conclusions [18].
1.2.4 Ensimage
L’agent d’ensimage doit être choisi pour lier les monofilaments
d’une mèche et améliorer la résistance au frottement. Il a aussi pour
but de diminuer la formation de « bourres » et de faciliter la mise
en œuvre de la fibre de carbone lors des opérations d’enroulement,
de tissage et de préimprégnation. Les composants de l’ensimage
sont judicieusement choisis pour être compatibles avec les matrices
polymériques et n’avoir aucune influence néfaste sur les propriétés
physiques ou chimiques du matériau composite. C’est pourquoi les
fabricants veillent, bien entendu, à ce que la qualité des ensimages
qu’ils proposent ne varie pas dans le temps.
Figure 6 – Influence du degré de traitement de surface
sur les propriétés mécaniques de composites unidirectionnels
carbone T 300/ résine 3620 époxyde (d’après doc. Toray et [18])
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FIBRES DE CARBONE
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Tableau 2 – Propriétés mécaniques en traction des fibres
de carbone obtenues à partir de fibres de brai
Précurseur
Producteur
Brai
isotrope
Kureha
Chemical
(Japon)
Module Résistance
Produit
de traction en traction
commercialisé
(GPa)
(MPa)
Kureca T-101
(carbonisation)
Kureca T-102
(graphitisation)
33
790
33
690
Thornel P 25W
Amoco
Thornel P 55S
Performance
Brai
Thornel P 75S
mésophase Products (1)
Thornel P 100
(USA)
Thornel P 120
160
380
520
724
827
1 400
1 900
2 100
2 200
2 200
(1) A repris les produits d’Union Carbide.
Figure 7 – Influence du degré de traitement de surface
sur les propriétés mécaniques de composites carbone T 300/ résine
époxyde 3620 quasi isotrope (d’après doc. Toray et [18])
À titre d’exemple, pour une utilisation au contact des résines
époxydes, les principaux composants des ensimages sont à base de
résines époxydes de masses moléculaires élevées.
Avec le développement de nouvelles matrices thermodurcissables
telles que polyimides et polybismaléimides, ou bien thermoplastiques telles que polyétherimides, poly(sulfure de polyphénylène) et
polyéthercétones, à hautes performances thermiques, la nécessité
d’utiliser des ensimages spécifiques reste une question ouverte [19].
Dans le brai, des microdomaines sphériques, au sein desquels les
interactions entre les nuages électroniques délocalisés des cycles
carbonés confèrent au milieu une structure de cristal liquide ( phase
nématique), constituent la mésophase proprement dite.
Le traitement thermique se traduit donc par la croissance progressive de cette mésophase au sein du brai isotrope, jusqu’à un point
d’inversion de phase à partir duquel la mésophase devient la phase
continue du milieu. La poursuite du traitement thermique peut
conduire à la formation de « semi-coke » infusible. La durée et la
température doivent être adaptées pour éviter ce phénomène
indésirable.
Il est clair que la mésophase obtenue a une composition chimique
et une anisotropie de structure idéales pour l’obtention de fibres de
carbone aux propriétés mécaniques optimales dans le sens longitudinal (axial).
1.3.2.1 Filage et étirage de la mésophase
1.3 Fibres obtenues à partir de brai
1.3.1 Précurseur
Le brai est issu de résidus de houille ou de pétrole. C’est un
mélange d’hydrocarbures aromatiques. Le brai peut être filé et
former des fibres. Ces fibres sont cependant très fragiles et difficiles
à manipuler, comparativement aux fibres de PAN. Le brai, comme
la plupart des matières organiques, peut être carbonisé à haute
température sous atmosphère inerte et produire du carbone.
À l’origine, ces fibres de carbone étaient obtenues à partir de brais
isotropes, c’est-à-dire sans orientation particulière. Elles se caractérisaient par de faibles résistances à la rupture et de faibles modules
de traction, ces propriétés mécaniques étant liées à l’isotropie du
brai. Les fabricants découvrirent rapidement que les brais dits
« mésophases », obtenus par traitement thermique de brais isotropes sélectionnés et purifiés, conduisaient à des fibres de carbone
à structure orientée axialement et de hautes performances mécaniques (tableau 2).
(0)
1.3.2 Mésophase
Les molécules polyaromatiques de moins d’une dizaine de cycles
et sans orientation particulière, constituant les brais isotropes, sont
soumises à des réactions de condensation par traitement thermique,
sous atmosphère inerte, entre 350 et 450 oC. Il en résulte la formation
de molécules de masse beaucoup plus élevée, dont la taille croît
régulièrement avec la durée du traitement thermique.
A 2 210 − 6
Le filage et l’étirage de la mésophase ont pour but l’orientation
de la structure dans la direction axiale. Le filage a lieu par voie fondue
et les propriétés d’écoulement fluide de la mésophase plastique vont
être déterminantes pour atteindre cet objectif.
Plus le développement de la mésophase au sein du brai isotrope
aura été poussé (et cela est souhaitable pour obtenir des fibres performantes), plus la viscosité sera grande et plus le filage sera difficile.
La viscosité de la mésophase peut être abaissée en augmentant
la température de filage, mais la limite de cette solution est fixée
par la dégradation possible de la mésophase. La viscosité va aussi
dépendre des masses moléculaires des espèces présentes, donc des
réactions de polymérisation qui ont eu lieu durant le traitement thermique et qui vont conduire à la formation de la mésophase.
Une fraction volumique élevée de mésophase correspond à une
masse moléculaire élevée qui rend l’étape de filage et d’étirage très
délicate. Il est nécessaire de parvenir à un compromis entre la
fraction volumique de mésophase qui doit être aussi élevée que possible et la température de filage qui doit rester relativement basse.
La pression et la température de la filière influent sur la texture intime
du produit fini. Aujourd’hui, les fabricants préfèrent utiliser des
précurseurs brais riches en mésophase dont la température de
ramollissement est peu élevée. Ces précurseurs peuvent être
obtenus par purification de brais isotropes en éliminant les produits
volatils, sous pression réduite, par barbotage de gaz inerte, distillation ou hydrogénation. Toutes ces précautions ont pour but d’éviter
la présence initiale de semi-coke dont on a vu les inconvénients.
Compte tenu de toutes ces considérations, le brai mésophase,
chauffé entre 350 et 450 oC, passe généralement au travers de
filières, en forme de cône, de 0,1 à 0,4 mm de diamètre. Il est ensuite
étiré, jusqu’à un allongement de 300 à 500 %, avant d’être enroulé
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sur un tambour tournant (bobineuse). Ces conditions opératoires
peuvent conduire à deux types extrêmes de texture, représentés sur
la figure 8 :
— texture radiale, qui donne une fibre plus sensible à la présence
de défauts, tels que porosités inclusions de particules de semi-coke
ou d’impuretés ; le comportement fragile du matériau sera alors lié
à la propagation de défauts de l’intérieur vers l’extérieur suivant les
rayons de la fibre ;
— texture en oignon qui limite ce mauvais comportement [20].
1.3.2.2 Traitements thermiques
1.3.2.2.1 Oxydation
Alors que, dans le procédé ex-PAN, il est nécessaire de former une
structure « échelle » (réticulée) irréversible préfigurant la structure
carbonée finale et de la rendre infusible, dans le procédé ex-brai,
cette structure existe déjà et l’oxydation a pour fonction essentielle
de faire passer la mésophase d’un état thermoplastique à un état
infusible, afin de pouvoir procéder à la carbonisation. Cette opération
est effectuée en présence d’oxygène à des températures de 150
à 250 oC.
Figure 8 – Fibres de carbone ex-brai : textures « oignon »
et « radiale »
1.3.2.2.2 Carbonisation et graphitisation
Le traitement thermique s’effectue dans des conditions pratiquement semblables à celles du PAN. Le précurseur brai stabilisé est
carbonisé, sous gaz inerte, jusqu’à des températures de l’ordre
de 1 500 oC, pour obtenir de la fibre de carbone brute. Cette carbonisation peut être suivie d’une graphitisation au-delà de 2 000 oC
pour obtenir des modules de traction plus élevés. Lorsque la température de carbonisation ou de graphitisation croît, le module de traction des fibres augmente, mais, contrairement aux fibres de carbone
ex-PAN, sans passage par un maximum de la résistance en traction
(figure 9). Cependant, le niveau moyen de la résistance en traction
des fibres ex-brai reste très inférieur à celui des fibres ex-PAN [21].
La préexistence d’une structure riche en carbone dans le précurseur donne lieu à un mécanisme de carbonisation très différent.
Le faible retrait des fibres n’oblige pas à les maintenir sous une
tension élevée, mais une tension minimale est nécessaire pendant
le procédé. Dans cette étape, seulement 20 à 30 % de la masse de
brai oxydé sont éliminés sous forme de gaz. Ces gaz sont surtout
constitués de dérivés carbonés.
Après carbonisation, les fibres de carbone ex-brai possèdent un
taux de carbone supérieur à celui des fibres de carbone obtenues
à partir de PAN.
1.4 Comparaison des fibres de carbone
ex-PAN et ex-brai
Figure 9 – Effet de la température du traitement thermique
sur les propriétés mécaniques en traction des fibres ex-brai
(d’après [21])
Les fibres ex-brai sont encore actuellement produites au stade
pilote ou semi-industriel. Les producteurs ont de grandes difficultés
à obtenir des précurseurs de qualité constante, c’est-à-dire purifiés.
À ces difficultés s’ajoutent les opérations de filage très délicates des
brais.
Au contraire, les fibres de PAN, qui bénéficient d’une technique
de polymérisation et de filage issue de l’industrie textile, possèdent
un plus haut degré de fiabilité en production industrielle. Elles
possèdent une haute ténacité, une grande rigidité et une faible
densité.
Les procédés ex-brai permettent actuellement d’obtenir des filtres
de carbone de haut module, dont la résistance en traction est limitée.
Les procédés ex-PAN restent aujourd’hui techniquement inégalés
dans la fabrication de fibres de carbone de haute (3 000 MPa) ou très
haute ( 5 000 MPa) résistance en traction et à modules intermédiaires (de 230 à 300 GPa) (figure 10).
Figure 10 – Comparaison des propriétés mécaniques
en traction des fibres de carbone ex-PAN et ex-brai
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2. Propriétés physiques
et chimiques
L’utilisation des fibres de carbone s’est développée dans les
matériaux composites utilisés comme matériaux à « hautes performances ». Les matériaux composites, comme les produits naturels
tels que le bois et les os, sont hétérogènes et anisotropes. Ils sont
aujourd’hui en concurrence avec les métaux, matériaux isotropes
et homogènes. L’augmentation des connaissances acquises, liée à
l’augmentation des expériences d’utilisation, a démontré que des
structures très légères pouvaient être fabriquées à partir des matériaux composites. Ces matériaux peuvent même remplacer les
métaux les plus légers tels que l’aluminium ou ses alliages.
2.1 Propriétés mécaniques
Les fibres de carbone sont, en général, classées selon leurs
propriétés mécaniques, les plus importantes étant les propriétés en
traction. Il convient de distinguer celles obtenues sur les fils
eux-mêmes de celles obtenues sur les matériaux composites.
Dans le premier cas, les valeurs obtenues sont propres à la fibre,
alors que, dans le second cas, l’influence de la matrice peut être
déterminante. L’usage est de classer les fibres selon leurs propriétés
en traction obtenues sur :
— monofilament [22] ;
— mèche « sèche », variante du précédent [23] ;
— mèche imprégnée.
2.1.1 Propriétés en traction
■ La traction de monofilament est le test physique le plus significatif, puisqu’il caractérise l’élément de base de la fibre, le monofilament. Pour sa description, on se reportera aux normes
correspondantes [Doc. A 2 210]. Cependant cet essai, très délicat à
réaliser, convient mal pour un contrôle continu de qualité.
■ La difficulté de réalisation du test sur monofilament peut être
contournée si l’on considère la distribution statistique des allongements à la rupture. Plutôt qu’un grand nombre d’essais individuels
sur chaque monofilament, il suffit d’un essai de traction sur une
mèche « sèche », par exemple sur une fibre commerciale composée
de 3 000 monofilaments. Autrement dit, un seul essai est effectué sur
un grand nombre de monofilaments à la fois. Cela est valable si les
filaments sont initialement équitendus, ce qui suppose quelques
précautions expérimentales.
■ Si les méthodes précédentes permettent une investigation théorique du matériau et l’établissement d’un lien avec des modèles
micromécaniques, elles sont mal adaptées au contrôle continu de la
qualité. C’est pourquoi la plupart des fabricants ont recours au test
dit de traction sur mèche imprégnée. Après imprégnation par une
résine, une mèche de fibres de carbone est chauffée selon diverses
méthodes. La qualité de la mèche imprégnée doit être aussi régulière
que possible. Le composite fabriqué à partir d’une seule mèche est
testé. L’obtention des caractéristiques maximales de la fibre suppose
que l’on utilise une résine dont l’allongement à la rupture soit au
moins 2 à 3 fois supérieur à celui de la fibre. Cette méthode normalisée est, à de rares exceptions près, celle qui sert de référence pour
le classement des fibres de carbone selon leurs propriétés en traction
(tableau 3). Elle est également largement utilisée pour les autres
fibres de renforcement telles que verre et aramides.
2.1.2 Classement des fibres de carbone
selon leurs propriétés en traction
Le contrôle de qualité des fibres de carbone en production porte
pour l’essentiel sur les caractéristiques suivantes :
— propriétés en traction ;
— masse volumique ;
— masse linéique ;
— taux d’ensimage.
Le critère de classement reste les propriétés en traction qui sont
mesurées par :
— le module d’élasticité (ou d’Young) en traction ;
— la contrainte (ou résistance) à la rupture en traction ;
— l’allongement à la rupture en traction.
La classification des fibres de carbone d’après leurs propriétés en
traction se fait en 5 catégories tout à fait arbitraires, mais correspond
à l’historique de la mise au point des fibres :
— d’usage général (fibres UG) : E < 200
— de haute résistance (fibre HR) : 200 E < 250
— de module intermédiaire (fibres MI) : 250 E < 400
— de haut module (fibres HM) : 400 E < 600
— de très haut module (fibre THM) : E 600
E désignant le module de traction en GPa.
2.1.3 Comparaison avec les autres fibres
de renforcement
Le tableau 4 présente, pour les fibres de carbone, de verre, d’aramide et de bore, quelques propriétés de base, données à titre indicatif. L’avantage des fibres de carbone sur les autres fibres résulte
de leurs propriétés mécaniques. Cet avantage est conservé dans les
matériaux composites. On remarquera en particulier :
— le niveau très élevé des résistances et des modules en traction
des fibres de carbone, en particulier des produits de nouvelle génération, « haute résistance » (T 800 H) ou « haut module » (M 40 J),
comparés aux fibres de verre, d’aramide et de bore ;
— le haut niveau de résistance en compression des fibres de
bore ;
— la faiblesse des fibres d’aramide en compression ;
— le niveau plus élevé de la résistance au cisaillement interlaminaire des fibres de carbone ;
— le relativement faible gain obtenu sur la résistance en compression des fibres de carbone de nouvelle génération, telles que les
fibres T 800 H (Toray-Soficar), IMS (Toho Rayon), IM-7 (Hercules),
qui peut être attribué à la manifestation de modes de rupture par
microflambage, plus liés au module de traction dans le sens transversal ou de cisaillement, dont le niveau n’est pas augmenté
(tableau 5). Avec un critère très simple tel que les propriétés en traction dans le sens des fibres, il est intéressant de comparer le rapport
performance/masse des fibres par l’intermédiaire de la résistance
et du module « spécifiques » qui correspondent à la résistance et
au module divisés par la masse volumique du matériau. La présentation de ces propriétés spécifiques établit nettement la supériorité
des fibres de carbone sur l’ensemble des autres matériaux
composites unidirectionnels (UD) et des métaux (figure 11).
2.1.4 Comparaison avec les matériaux métalliques
Comme nous l’avons déjà dit, il convient de comparer (tableau 6)
les matériaux métalliques isotropes aux structures composites multidirectionnelles quasi isotropes ; le plus courant est de considérer des
empilements (0/± 45/90) ns c’est-à-dire où l’on a disposé une
1re couche de fibres à 0o, puis une 2e à + 45 o, puis une 3e à – 45 o
puis une 4e à + 90 o, et ainsi de suite n fois, de façon symétrique.
(0)
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Tableau 3 – Propriétés en traction comparées des fibres de carbone commercialisées (1)
Fabricant
Nom commercial
Toray (Asie)
et
Soficar (Europe)
Amoco Performance
Products (USA)
HR
HR
HR
HR
MI
HM
HM
HM
HM
HM
HM
230
230
250
230
294
392
377
436
475
540
588
3 530
4 210
4 410
4 900
5 490
2 740
4 410
4 210
3 920
4 020
3 920
1,5
1,8
1,8
2,1
1,9
0,7
1,2
1,0
0,8
0,8
0,7
PAN
Bestfight







HTA
UTS
IMA
IMS
HMA
HMS
HR
HR
MI
MI
MI
HM
238
240
295
290
358
414
3 950
4 900
4 100
5 750
3 100
3 600
1,5
2,0
1,4
1,9
0,6
0,7
PAN
Magnamite









AS-2
AS-4
IM-6
IM-7
IM-8
HMU
UHMS
HR
HR
MI
MI
MI
MI
HM
225
235
280
281
303
360
440
3 450
3 900
5 000
5 400
5 400
2 760
3 450
1,3
1,5
1,5
1,6
1,6
0,7
0,8
PAN














T-300
T-650/35
T-650/42
T-40
T-50
HR
HR
MI
MI
HM
231
241
290
290
390
3 450
4 550
5 030
5 650
2 900
1,4
1,7
1,7
1,8
0,7
PAN
AS30
TR40
MR40
MR50
SR40
34-700
HR
HR
MI
MI
HM
HR
206
235
289
289
475
234
3 140
4 710
4 400
5 100
4 200
4 500
1,5
2,0
1,5
1,7
0,9
1,9
PAN
UG
UG
33
33
800
700
2,4
2,1
Brai
390
520
755
825
1 900
2 100
2 350
2 350
0,5
0,4
0,3
0,3
Brai
Thornel
Pyrofil (3)
(Asie)
Mitsubishi Rayon
(Asie)
(2)
T 300
T 300J
T 400H
T 700S
T 800H
M 40
M 40J
M 46J
M 50J
M 55J
M 60J
Tenax
Hercules (USA)
Module















Torayca
Toho Rayon (Asie)
et
Akzo (Europe)
Allongement
à la rupture
(%)
Précurseur
(GPa)
Résistance
à la rupture
(MPa)
Classe
Grafil (USA)
Kureha Chemical
(Asie)
Kureca
Amoco Performance
Products (USA)
Thornel
 T 101 F

 T 201 F
 P-55 S
 P-75 S
 P-100 S

 P-120 S
HM
HM
THM
THM
(1) D’après les fiches techniques des producteurs.
(2) HM : de haut module ;
HR : de haute résistance ;
MI : de module intermédiaire ;
THM : de très haut module ;
UG : d’usage général.
(3) À chaque nuance de Pyrofil correspond une nuance équivalente de Grafil.
(0)
(0)
(0)
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Tableau 5 – Propriétés mécaniques de composites
unidirectionnels carbone/résine époxyde
à température ambiante (doc. Toray)
Fibre Torayca................................
T 300
Résine ...........................................
3631 (1)
Teneur volumique en fibres (%) .
60
Densité du composite..................
Sens longitudinal
Résistance en traction (MPa)......
Module de traction (GPa)............
Allongement à la rupture (%) .....
Résistance en compression
(MPa).............................................
Module de compression (GPa)...
Cisaillement interlaminaire (MPa)
Sens transversal
Résistance en traction (MPa)......
Module de traction (GPa)............
Allongement à la rupture (%) .....
Coefficient de Poisson ................
(1)
(2)
Figure 11 – Comparaison des propriétés spécifiques des composites
unidirectionnels carbone/époxyde à celles des autres fibres
et des métaux
Tableau 4 – Propriétés comparées des composites
unidirectionnels à base de résines époxydes (1)
renforcées par différentes fibres
Fibre
Traction 0o (4)
Compression Résistance
au
Masse
0o (4)
cisaillement
volumique Résistance Module
Résistance interlaminaire
(MPa)
(GPa)
(MPa)
(MPa)
(g/cm3)
Carbone (2)
T 300 ............
T 300 J .........
T 400 H.........
T 800 H.........
M 40.............
M 40 J..........
M 60 J..........
1,53
1,54
1,56
1,56
1,57
1,54
1,64
1 760
2 050
2 450
2 840
1 180
2 250
1 860
125
125
135
150
215
215
340
1 370
1 370
1 470
1 570
930
1 130
780
100
100
100
100
80
90
70
Verre
E ...................
R ...................
2,04
2,01
1 400
1 900
46
52
910
970
70
70
Aramide (3)
KEV 49 .........
1,38
1 380
72
276
60
Bore.............
2,01
1 700
220
2 400
100
(1)
(2)
(3)
(4)
o
T 800H
60
1,53
1,55
60
1,53
1 760
135
1,3
1 570
2 840
160
1,6
1 570
2 850
160
1,7
1 650
125
100
145
100
145
100
80
7,8
1,0
0,34
80
7,8
1,0
0,34
80
7,8
1,0
0,34
Résine époxyde, classe 180 oC, produite par Toray.
Résine époxyde ductile, classe 180 oC, produite par Toray.
Tableau 6 – Comparaison des caractéristiques mécaniques
d’un alliage d’aluminium et des composites
à renfort carbone de première (T 300)
et de deuxième générations (T 800H ) (doc. Toray)
Composites
(0 / ± 45 / 90)ns
Alliage
d’aluminium
7075-T6 (2)
Fibres de carbone.....................................
Taux volumique de fibres (%) .................
Résine époxyde.........................................
T 300
60
3601 (1)
T 800H
60
3900-2 (1)
Masse volumique du matériau (g/cm3).
1,53
1,55
2,8
50
60
70
555
325
47
820
660
55
540
460
70
660
350
660
350
440
440
490
160
190
100
490
150
440
95
440
440
490
370
Propriétés mécaniques
Module de traction (GPa) ........................
Résistance en traction (MPa) :
— sans trou ..........................................
— avec trou..........................................
Module de compression (GPa)...............
Résistance en compression (MPa) :
— sans trou ..........................................
— avec trou..........................................
Résistance en compression/choc
(67 J/cm) :
— avant choc (MPa)...........................
— après choc (MPa) ..........................
Force de pénétration avant choc (N) ....
Force de pénétration après choc (N) ....
(1) Résines époxydes définies dans le tableau 5.
(2) T6 désigne le traitement thermique.
Résines époxydes, classe 180 C (endurance thermique selon la norme CEI 216). Taux
volumique de fibres : 60 %.
Fibres Torayca produites par Toray.
Fibres Kevlar produites par Du Pont.
Dans le sens longitudinal.
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T 800H
3631 (1) 3900-2 (2)
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2.1.4.1 Propriétés statiques
Le choix entre métal et matériaux composites doit tenir compte
des conditions d’utilisation qui peuvent être, par exemple dans
l’aéronautique :
— les conditions d’équilibre hygrothermique (baisse de la température de transition vitreuse de la résine du composite après vieillissement dans les conditions d’utilisation, se traduisant par un
abaissement des propriétés mécaniques) ;
— l’endommagement par première rupture d’une couche, en
général à 90 o (first ply failure) ;
— l’endommagement par un délaminage préexistant et la propagation de cet endommagement sous contrainte statique ou
dynamique ;
— l’endommagement consécutif à un choc ;
— la sensibilité aux contraintes autour d’un trou [tests dits de
traction trouée et de traction trouée habitée (vis...)].
Dans le cas d’un dimensionnement privilégiant les critères de rigidité, les composites carbone/résine époxyde de première génération
(fibres de carbone de type T 300 ) sont déjà compétitifs en termes
de propriétés spécifiques.
Par contre, si les critères de tenue en compression et de résistance
aux chocs sont privilégiés, l’avantage reste aux matériaux
métalliques.
2.1.4.2 Propriétés dynamiques
Une des qualités des composites renforcés de fibres de carbone
est leur excellente tenue en fatigue. Bien qu’il soit difficile de trouver
des comparaisons fiables sur la résistance en fatigue des matériaux,
du fait des grandes différences de types de sollicitations appliquées
et de la difficulté d’exploitation des résultats, il est possible d’en tirer
les renseignements suivants. Pour un nombre élevé de cycles, par
exemple 107, les rapports de la résistance après l’essai de fatigue
à la résistance statique sont, selon la référence [24] :
— de 0,35 pour les alliages légers ;
— de 0,40 à 0,50 pour les aciers et l’alliage de titane TA 6V ;
— de 0,70 à 0,90 pour les composites quasi isotropes fibres de
carbone/résine époxyde.
Tableau 7 – Résistivité transversale des fibres de carbone
(d’après les fiches techniques)
Fibre
Précurseur
Type
Torayca T 300
Torayca M 40
Thornel P 55-S
Thornel P 75-S
Thornel P 100-S
PAN
PAN
Brai
Brai
Brai
HR
HM
HM
HM
THM
Graphite
Résistivité volumique
(Ω · cm)
Monocristallin
1,8
8
7
5
2,5
× 10 – 3
× 10 – 4
× 10 – 4
× 10 – 4
× 10 – 4
4 × 10 – 5
2.2.2 Propriétés thermiques
2.2.2.1 Résistance à l’oxydation
Par nature, les fibres de carbone sont sensibles aux agents
oxydants, mais la cinétique d’attaque dépend beaucoup de l’histoire
thermique de la fibre, de sa composition chimique et de sa
microtexture.
Le développement de matériaux composites à base de résines de
haute tenue en température (polyimides, polystyrylpyridine) a
conduit à déterminer la résistance des fibres à l’oxydation dans l’air
à haute température et des normes d’essais ont été publiées
[Doc. A 2 210]. La microtexture à la périphérie du monofilament joue
sans doute un rôle prédominant, mais aucune étude ne précise ce
point.
À titre d’exemple, nous présentons des courbes de perte de masse
à 375 oC dans une étuve ventilée, d’après [27], obtenues par analyse
thermogravimétrique de diverses fibres de carbone commerciales préalablement désensimées (figure 12).
À d’autres températures et dans des conditions expérimentales
différentes, les résultats peuvent évoluer [28].
2.2 Autres propriétés physiques
2.2.1 Propriétés électriques
2.2.1.1 Conductivité électrique
La conductivité électrique d’une fibre de carbone dépend directement de sa microstructure, en particulier de la taille des USB et de
la continuité axiale des soudures. À cause de leur structure plus
proche du graphite et de leur texture oignon ou radiale, les fibres
ex-brai ont une conductivité électrique plus élevée que les fibres
ex-PAN, donc une résistivité plus faible (tableau 7).
(0)
Globalement la conductivité électrique des fibres de carbone est
de deux ou trois ordres de grandeur inférieure à celle des
métaux [23].
2.2.1.2 Comportement vis-à-vis des ondes
électromagnétiques
L’utilisation des fibres de carbone est connue au travers d’applications concernant le blindage électromagnétique. Pour les fréquences
s’étageant de 100 à 1 000 MHz, l’atténuation en termes de puissance
absorbée varie entre 30 et 50 dB pour une masse surfacique du
préimprégné de 34 g /m2 [26].
Figure 12 – Tenue à l’oxydation de fibres de carbone
désensimées sous air à 375 oC (d’après [27])
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2.2.2.2 Conductivité thermique
et coefficient de dilatation volumique
Comme dans le cas de la conductivité électrique, la conductivité
thermique varie avec le degré de graphitisation de la fibre. Quelques
valeurs sont données dans le tableau 8. On remarquera le niveau
élevé de la conductivité thermique des fibres de carbone ex-brai. Aux
environs de la température ambiante, le coefficient de dilatation thermique volumique ou CTE (coefficient of thermal expansion) dans
le sens longitudinal est proche de zéro. Il devient de plus en plus
négatif au fur et à mesure de l’augmentation du degré de graphitisation des fibres de carbone. Au-dessus de 700 oC, le CTE de toutes
les fibres de carbone est positif.
(0)
Tableau 8 – Conductivité thermique
et coefficient de dilatation thermique volumique
des fibres de carbone (1)
Conductivité
thermique
Fibre
Précurseur
Torayca T 300
Torayca M 40J
Thornel P 55-S
Thornel P 75-S
Graphite
PAN
PAN
Brai
Brai
Type
m–1
(W ·
Long.
(2)
HR
HM
HM
HM
Monocristallin 2 600
K –1)
·
Trans.
(3)
6,3
40
100
520
Coefficient
de dilatation
thermique
volumique
0,7
1,2
100
(10–6
Long.
(2)
autre possibilité est le dépôt chimique en phase vapeur (DCPV). Dans
ce procédé, chaque cycle successif comporte le craquage thermique
d’un hydrocarbure léger sous pression à haute température et un
écroûtage intermédiaire. L’adhérence de la matrice carbone sur les
fibres de carbone est obtenue au cours des imprégnations et des
cuissons successives.
Les propriétés des composites carbone/carbone recherchées sont,
outre la faible masse volumique du matériau (entre 1,5 et 2 g/cm3 ),
essentiellement des propriétés thermomécaniques hors du commun
jusqu’à des températures de plus de 2 000 oC (tableau 9) :
— bonne résistance à l’abrasion oxydante ;
— bonne tenue aux chocs thermiques (passages possibles de la
température ambiante à plus de 2 000 oC dans les applications
freinage) ;
— coefficient de frottement élevé ;
— très grande conductivité thermique (double de celle de l’acier).
(0)
Tableau 9 – Propriétés des composites carbone/carbone
(d’après notice technique, le Carbone-Lorraine)
Masse volumique (g /cm3)...................................
1,4 à 2,0
K –1)
Résistance en traction (MPa) ..............................
60 à 700
Trans.
(3)
Module de traction (GPa) ....................................
15 à 380
Résistivité (en 10– 3 Ω · cm) .................................
0,5 à 3,0
Coefficient de frottement :
à sec ......................................................................
C/C contre acier lubrifié.......................................
C/C contre C/C......................................................
0,15
0,03
0,16 à 0,20
0,3
0
– 0,9
– 1,3
36
34
– 1,5
7
(1) D’après les fiches techniques des producteurs.
(2) Dans le sens des fibres.
(3) Dans le sens transversal.
Nota : pour plus de détails sur les composites carbone/carbone, se reporter à l’article
Matériaux composites thermostructuraux [A 7 804] dans ce traité.
2.2.3 Transparence aux rayons X
La faible masse atomique du carbone conduit à une absorption
des rayons X six fois moindre que celle de l’aluminium. Cette particularité est mise à profit dans les applications de type médical (§ 4).
3. Matériaux particuliers
3.1 Composites carbone /carbone
Comme leur nom l’indique, il s’agit de matériaux dont le renfort
est la fibre de carbone, la matrice étant du carbone amorphe. Le
renfort de fibres de carbone est sous forme de tissu, feutre ou mat.
Certains procédés partent de textures en PAN oxydé qui subissent
ensuite un cycle de carbonisation [29]. Il n’est pas question ici
d’entrer dans le détail des technologies – fort complexes – de fabrication de ces matériaux. Nous en indiquons cependant les grandes
lignes (figure 13). La matrice carbone est déposée par imprégnation
de brais liquides ou de résines phénoliques. Une pyrolyse sous
atmosphère neutre permet, au cours de cycles successifs, de
densifier soit à basse pression et à haute température, soit à haute
pression et à des températures très élevées. Ces cycles sont destinés
à remplir de carbone amorphe les interstices entre les fibres. Une
A 2 210 − 12
Figure 13 – Principe du procédé de fabrication des composites
carbone-carbone (source : Le Carbone-Lorraine)
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3.2 Fibres de carbone métallisées
Les plus classiques sont les fibres de carbone nickelées ou
cuivrées. Le dépôt métallique d’environ 0,4 µm (sur des filaments
de 7 µm de diamètre) est réalisé par électrodéposition, chimidéposition ou dépôt à haute température, de 1 500 à 2 000 oC, de la plupart
des oxydes métalliques.
L’intérêt principal des fibres ainsi obtenues est leurs conductivités
thermique et électrique supérieures à celles de la fibre qui sert de
substrat.
4. Marchés et applications
4.1 Production mondiale
Les principaux producteurs, leur implantation mondiale, leurs
marques commerciales et leurs capacités sont donnés sous forme
de tableaux en [Doc. A 2 210].
La construction d’une unité de fibres de carbone doit être
considérée comme un investissement lourd. Environ 300 MF étaient
nécessaires en 1992 pour une unité de 350 t /an (donnée Soficar).
Les capacités de production n’ont pas cessé d’augmenter jusqu’en
1990. Depuis deux ans, la tendance est à la stabilisation, voire à la
décroissance. En effet, la demande mondiale qui provenait
principalement des industries de hautes technologies, telles que par
exemple l’aéronautique et l’espace incluant des applications civiles
et militaires, a augmenté très fortement de 1970 à 1990. Depuis deux
ans, ces marchés subissent une importante récession. Actuellement
(1993), nous assistons à une bataille de prix et de compétitivité qui
oblige certains producteurs, les plus faibles financièrement, à arrêter
partiellement ou totalement leur production. D’autres reconsidèrent
leur stratégie. Cependant, les perspectives à long terme du marché
des fibres de carbone de hautes performances demeurent positives.
Des applications industrielles nouvelles, issues d’un prix des
matières premières plus compétitif et de meilleures connaissances
du comportement des matériaux composites, de nouvelles technologies de transformation, comme par exemple les fibres imprégnées
de matrice thermoplastique ou FIT, brevetées par Atochem [30]
permettront l’émergence de nouvelles applications.
4.2 Marchés
Si le marché principal mondial en 1992 des fibres de carbone reste
l’aéronautique, il convient de considérer certaines particularités
géographiques (figure 14).
Cette vue globale masque la complexité du circuit commercial
entre le fabricant de fibres et l’utilisateur final [31]. Cette complexité
correspond aux divers types de mise en œuvre des matériaux
composites comme, par exemple, le tissage, l’imprégnation, la
pultrusion, l’enroulement filamentaire, le FIT... Cela se traduit par
l’existence d’une palette étendue de semi-produits où des industries
spécialisées, par exemple dans le tissage et l’imprégnation, tiennent
une place prépondérante.
4.3 Principales applications
4.3.1 Aéronautique et espace
Les premières utilisations des composites à renfort carbone dans
l’aéronautique ont commencé dès 1968 à la fois en Europe avec les
pales de l’hélicoptère Gazelle de L’Aérospatiale et les trappes d’accès
des avions de chasse Vautour, et aux États-Unis avec les volets
d’atterrissage du A- 4 de McDonnel-Douglas. Suite aux résultats
Figure 14 – Répartition du marché des fibres de carbone en 1992
(estimation Soficar)
encourageants de ces applications et aux gains de masse et d’énergie
obtenus, L’Aérospatiale a réalisé à partir de 1973 des éléments en
composite à renfort carbone pour le supersonique Concorde. C’est
ainsi que des élevons, trappes du train principal, divers carénages
et une extrémité de voilure furent fabriqués, testés et certifiés dans
le but d’une application en série. Si les connaissances acquises n’ont
pas encore été concrétisées sur d’autres avions de transport supersoniques, ces expériences sont la base des développements des
produits composites sur les avions ATR et Air-Bus.
Les matériaux composites utilisés font appel majoritairement aux
fibres de carbone, ces dernières pouvant être associées aux fibres
de verre ou d’aramide, d’où la richesse des possibilités techniques
des matériaux composites [32] [33] [34].
Les fibres de carbone, en association avec des résines ignifuges
telles que les résines phénoliques, peuvent remplacer avantageusement les fibres d’aramide dans des pièces d’habillage à l’intérieur
de la carlingue.
Les premières applications ont concerné des pièces dites
secondaires au sens de la certification : aérofreins, déflecteurs
(spoilers ), capotages, bords d’attaque, trappes d’accès, puis des
pièces plus volumineuses comme les gouvernes (rudder ). Les
programmes ont ensuite évolué vers la fabrication de pièces dites
primaires comme les dérives verticales ou horizontales et les extrémités de la voilure principale dans le cas de l’ATR 72 [35].
Les critères de dimensionnement de ces pièces font qu’il est
possible d’utiliser des fibres de carbone de première génération de
type T 300, T 300J ou HTA. Néanmoins, pour aller plus loin, il est
nécessaire de disposer de matériaux plus performants. Les produits
de seconde génération, telles les fibres « haute résistance » de type
T 800H, IMS, IM7, ou celles « haut module » de type M 40J, ont
permis d’effectuer un saut quantitatif important pour les futures
utilisations des fibres de carbone, grâce à l’augmentation de la déformation admissible de ces matériaux. Eurocopter fabrique
aujourd’hui des pales d’hélicoptères avec des matériaux composites
renforcés de fibres de carbone « haut module » [36].
Actuellement, dans les avions civils, la part des matériaux composites peut s’élever jusqu’à 15 % en masse de la structure. Il est prévu
qu’elle augmente encore. Selon une étude de la NASA [37] et les
documentations de la société Dassault, elle devrait se situer entre
35 et 50 % dans les programmes des avions militaires de l’an 2000.
Dans le cas des hélicoptères (Eurocopter), ce pourcentage pourrait
être supérieur (figure 15).
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A 2 210 − 13
FIBRES DE CARBONE
___________________________________________________________________________________________________________________
Figure 15 – Évolution de l’utilisation
des matériaux composites dans l’aéronautique
(d’après [37] et doc. Dassault, Aérospatiale, Eurocopter)
Il convient également d’évoquer l’utilisation intensive de freins en
composites carbone/carbone qui apportent un gain de poids
appréciable.
L’industrie spatiale utilise aussi de tels composites : les navettes
spatiales sont thermiquement protégées par des revêtements en
carbone /carbone et les propulseurs à poudre d’Ariane V seront
équipés de tuyères dans ce même matériau (SEP). Les bras des
antennes de satellites sont en fibres de carbone « haut module ».
Un avenir prometteur dans ce domaine réside dans les futures
stations orbitales.
4.3.2 Sport
— Biomédical : • supports et accessoires liés à la transparence
des fibres de carbone aux rayons X et aux
rayons γ [40] ;
• prothèses internes liées à la biocompatibilité
du matériau [41].
— Robotique :
antennes paraboliques.
— Mécanique : nombreuses petites pièces dont les caractéristiques sont la stabilité thermique et dimensionnelle, la résistance au frottement et les
propriétés antistatiques.
— Outillage :
Comme déjà signalé en introduction, les articles de sport ont joué
un rôle important lors du démarrage et dans le développement de
l’utilisation des fibres de carbone. Abstraction faite de l’effet de mode
ou de l’aspect commercial, il est incontestable que les matériaux
composites à renfort carbone ont apporté des améliorations techniques. À titre indicatif, nous pouvons citer les exemples suivants :
— raquettes de tennis : possibilité de jouer avec de grands
tamis [38] ;
— cannes à pêche : alliance de légèreté, de rigidité et de toucher ;
— vélos : alliance de légèreté, de rigidité et de nervosité ;
— marine : mâts, coques et pièces maîtresses de bateaux de
compétition – America Cup – [39] ;
— automobiles : coques en fibres de carbone et freins en
carbone/carbone des véhicules de Formule 1, etc.
A 2 210 − 14
4.3.3 Autres applications
la fabrication de pièces de grandes dimensions
en composite à renfort carbone nécessite des
outillages dans ce même matériau (surtout dans
l’industrie aéronautique).
— Transports : • automobile : arbres de transmission [42] de
certains véhicules (Renault Espace) ;
• réservoirs LPG en composites ;
• trains, TGV à deux étages : structure prévue
en composite à renfort carbone.
— Nucléaire :
ultracentrifugeuses en carbone et éléments de
la première paroi de réacteur en carbone /
carbone [43].
— Bâtiment :
bétons renforcés de fibres courtes et blindage
électromagnétique de bâtiments par incorporation en façade de mats de carbone. Ces applications sont surtout développées au Japon et
aux États-Unis [44] [45] [46] [47].
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5. Conclusion
À propos des coûts de fabrication des fibres de carbone par des
procédés ex-brai et ex-PAN, il serait prématuré de donner une
conclusion. Cependant, compte tenu des difficultés techniques
d’obtenir des précurseurs de qualité constante et de la difficulté des
opérations de filage, une incertitude plane sur les coûts finaux de
production du procédé ex-brai. Nous constatons aujourd’hui que le
marché des fibres de carbone est largement dominé par des producteurs utilisant le précurseur PAN.
Si les propriétés des fibres de carbone ont été grandement
améliorées, il reste à améliorer les propriétés et la connaissance des
matériaux composites. D’où la nécessité d’une recherche intégrant
fibres, matrices et interfaces, sans oublier les procédés de fabrication
des produits finis [48].
De nombreuses applications à base de fibres de carbone restent
à développer. Il ne s’agit certes pas de vouloir utiliser des fibres de
carbone dans n’importe quelle application ; la considération du rapport performance/coût reste prépondérante en y intégrant tous les
coûts de fabrication, de contrôle et de maintenance. De nombreuses
applications potentielles dans les futurs programmes aéronautiques
[49] seront non seulement à base de composites à fibres de carbone
mais aussi à base de composites à renfort carbone associé à d’autres
fibres dont les caractéristiques sont complémentaires. Concernant
d’autres marchés potentiels, nous citerons les nombreux tests en
cours dans l’industrie pétrolière off-shore [50] [51], le bâtiment [52]
et les transports [53].
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Fibres de carbone
par
E
N
Jean LUYCKX
Ingénieur CNAM (Conservatoire National des Arts et Métiers) (Chimie Industrielle)
Détaché par Elf Atochem à la Direction Technique de la société Soficar,
en charge des qualifications aéronautiques et du développement
Données économiques
■ Prix des fibres
Il fluctue fortement en fonction des qualités produites, des coûts de contrôle
et d’essais exigés par les clients. Depuis 1988, les prix moyens des fibres ex-PAN
de haute résistance (HR), de module intermédiaire (MI) et de haut module (HM)
ont globalement été divisés par deux voire trois, tandis que l’amélioration des
connaissances et des technologies a permis des augmentations significatives
des propriétés mécaniques.
■ Évolution du marché des fibres de carbone base PAN de 1992 à 2000
1992
1996
2000
Amoco (USA) ......................................
950
1 150
Akzo (USA) ..........................................
365
2 270
2 270
Hercules/Hexcel (USA) .......................
1 715
1 715
1 715
Avec l’arrivée de la crise économique dans les années 1992-1995, touchant
particulièrement l’industrie aéronautique, qui a fait fortement chuter les prix
et occasionner le retrait de certains producteurs du marché (Courtaulds, BASF,
Asahi Kasei, etc.), les principaux producteurs de fibres de carbone ont cherché
à se diversifier dans de nouvelles applications industrielles.
Mitsubishi (J + USA)...........................
820
1 900
3 400
Toray (J + E) ........................................
2 610
3 700
7 300
Toho (J + E) .........................................
2 500
3 700
5 100
■ Augmentation des capacités de production
Le tableau A montre l’augmentation de la demande au cours des cinq
dernières années, demande qui va continuer de croître dans les années futures.
Depuis fin 1995, les unités de production de fibres de carbone sont saturées.
Depuis le début 1996, la demande est supérieure à l’offre, et les principaux
producteurs ont décidé d’augmenter leur capacité de production dès la fin 1996.
Pour partie, ces nouvelles capacités sont opérationnelles depuis le début
de 1997 et d’autres viendront en 1999.
1 - 1999
Années
Capacités nominales de production (1) (2) (3)
Pendant ces cinq dernières années, les fibres de carbone obtenues à partir
d’une base PAN (polyacrilonitrile) ont accentué leur domination sur les fibres
obtenues à partir des bases brai et autres matières premières (viscose, résidus
pétroliers, etc.).
Ces nouveaux marchés ont été, entre autres, les marchés du bâtiment et des
travaux publics, pour lesquels les premières applications ont été faites au Japon
dès 1984.
Doc. A 2 210
Tableau A – Évolution des capacités de production
et de la consommation des fibres de carbone
dans le monde
[(en tonnes), d’après Asian Chemical News (3 mars 1997)]
Les principales augmentations de capacités nominales programmées
fin 1997 sont les suivantes :
— Toray : + 1 800 t /an au Japon (1998) et + 1 800 t /an aux USA (1999 nouveau site industriel) ;
— Toho : + 1 000 t /an en Europe (1998) et + 200 t /an (1998) au Japon ;
— Akzo : + 1 000 t /an aux USA (1998) à base de PAN textile ;
— Mitsubishi : + 1 500 t /an au Japon (1998) ;
— Zoltek : + 1 000 t /an en Europe (1998) à base de PAN textile.
Compte tenu de ces données, dans quelques années, la différence de consommation des fibres de carbone du secteur aéronautique et de l’industrie, actuellement servie partiellement, sera encore plus accentuée.
1 850
Autres...................................................
2 160
810
1 810
Total .....................................................
11 120
15 245
23 445
1 800
3 761
3 582
9 143
2 100
3 900
6 809
12 809
Consommation mondiale
Aéronautique (4) .................................
Sport (4) ...............................................
Industrie (4) .........................................
Total .....................................................
2 350
2 250
1 900
6 500
(1) Capacité nominale : un seul type de fibres est fabriqué. Mixt products :
tous les types de fibres sont fabriqués, ce qui entraîne l’arrêt de l’unité
pour changer les bases d’où une réduction de la capacité de production.
(2) Capacité réelle de production (mixt products) = capacité nominale
multipliée par 0,6 à 0,8.
(3) USA : États-Unis ; J : Japon ; E : Europe.
(4) Données Soficar.
De nombreuses études et des investissements lourds seront nécessaires à
la mise au point des procédés de transformation de ces nouvelles fibres. Le
rôle des préimprégnateurs et des autres transformateurs sera sans doute
déterminant.
Pour les cinq prochaines années, le taux de croissance global de la consommation des fibres de carbone devrait être supérieur à 10 % par an.
Pour servir les demandes industrielles, de nouvelles fibres de carbone
fabriquées à partir de PAN textile (de 50 000 à 320 000 monofilaments)
apparaissent. Si ces fibres ont des caractéristiques mécaniques moindres,
d’après leurs fabricants, les coûts de production en sont plus faibles. Il est difficile
de savoir aujourd’hui si les fibres à larges mèches seront une alternative partielle
aux fibres de carbone principalement produites aujourd’hui (de 3 000
à 24 000 monofilaments).
(0)
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McCONNELL (V.P.). – Adv. Comp., p. 22-31,
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FRUSTIÉ (M.J.) et LEYDIER (F.). – Philosophie
générale du choix des procédés. SAMPE,
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SPARKS (C.P.), ODRU (P.), METIVAUD (G.) et LE
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CHABERT (A.). – Les applications des
matériaux composites au sein des ouvrages
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SCHONLEBER (G.). – Automobile applications.Torayca Techn. Conf., Abbaye des Vaux
de Cernay, 18-19 mars 1991.
Normalisation
Plusieurs comités nationaux de normalisation ont publié des normes sur les
fibres de carbone (tabeau B). Depuis 1987, un groupe de travail spécialisé de
l’ISO élabore des normes internationales.
Depuis 1991, une instance similaire s’est créée au CEN (Comité Européen de
Normalisation).
Les normes sur les fibres de carbone sont de deux types :
— méthodes d’essais : elles reprennent les méthodes utilisées en contrôle
de qualité par les fabricants ou les utilisateurs ;
— spécifications : elles ont pour objet de définir les conditions de contrôle
des produits, leur classification ou leur désignation ainsi que les valeurs minimales et maximales à atteindre pour leurs propriétés.
Elles proviennent essentiellement des utilisateurs de l’aéronautique.
Le tableau B présente les principales normes françaises, allemandes,
japonaises et américaines, ainsi que les normes internationales
correspondantes.
Signalons par ailleurs les normes expérimentales françaises depuis 1992
concernant les tissus de carbone :
T 25-200, -205, -210, -216, -220, -225, -230, -240
Doc. A 2 210 − 2
Rappelons également les méthodes normalisées par l’AFNOR pour le
contrôle des composites à renfort carbone :
— fabrication des plaques ................................................................ T 57-300
— traction .......................................................................................... T 57-301
— flexion ............................................................................................ T 57-302
— cisaillement interlaminaire .......................................................... T 57-303
Mentionnons également les travaux d’associations spécialisées telles que
SACMA aux États-Unis ou AECMA en Europe.
Nota
SACMA : Suppliers of Advance Composite Materials.
AECMA : Association Européenne des Constructeurs de Matériels Aéronautiques.
SACMA, association américaine de fournisseurs, s’intéresse plus aux
méthodes d’essais qu’aux spécifications ; en Europe, au contraire, l’intérêt de
l’association d’utilisateurs qu’est l’AECMA se porte davantage sur les
spécifications.
(0)
Sans entrer ici dans le détail de ces normes, les commentaires suivants
peuvent être donnés : en ce qui concerne les méthodes d’essais, le présent
article ne traite que des différentes caractéristiques physico-chimiques des
fibres de carbone et des normes destinées à les déterminer. Quant aux
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites
___________________________________________________________________________________________________________________ FIBRES DE CARBONE
Tableau B – Normes publiées concernant les fibres de carbone
Thème
AFNOR
■ Normes d’essais
Traction mèches imprégnées ........................................
Traction monofilament...................................................
Masse volumique ...........................................................
Masse linéique ................................................................
Taux d’ensimage ............................................................
Torsion.............................................................................
Diamètre des filaments ..................................................
Résistance à l’oxydation thermique ..............................
Analyse élémentaire .......................................................
Conductivité électrique ..................................................
pH d’extraction de l’eau .................................................
JIS
ASTM (3)
ISO (4)
(1)
(2)
Sect. 15
TC 61 SC 13
NF T 25-101
25965
R 7601
D 4018
NF ISO 11566
65382
R 7601
D 3379
NF ISO 40119
29965
R 7601
D 3800
NF T 25-103
29965
R 7601
D 3317
NF EN ISO 10548
29965
.................................
D 4102
.................................
29965
R 7601
D 1423
NF ISO 11567
53811
R 7601
.................................
.................................
29965
.................................
D 4102
T 25-107
................................. .................................
R 7601
................................. .................................
R 7601
■ Normes de spécifications
Vocabulaire et définitions ..............................................
Désignation .....................................................................
Bases de spécifications ..................................................
Fiches techniques produits/spécifications ...................
NF ISO 472 A5
NF T 25-110
T 25-108
T 25-109
■ Texture et structure
Généralités ......................................................................
Analyse par diffraction des rayons X ............................
Analyse azimutale par diffraction des rayons X ..........
Fractographie par microscopie électronique ...............
Examen microscopique en lumière polarisée ..............
Analyse par microdiffraction .........................................
Détermination des éléments métalloïdiques ...............
T 25-111-1
T 25-111-2
T 25-111-3
T 25-111-4
T 25-111-5
T 25-111-6
T 25-112
(1)
(2)
(3)
(4)
DIN
65184
65184
65184
................................. .................................
10618 (projet)
11566
10119
1889
10548
472 A5
65579
NF ISO 11567
11-97
Fibres de carbone. Détermination du diamètre et de
l’aire de la section transversale des filaments
(remplace NF T 25-106, 10-89). Indice de classement :
T 25-106.
Pour plus de détails, se reporter aux articles Essais mécaniques des plastiques
[AM 3 510] [AM 3 511] [AM 3 512] [AM 3 513] dans ce traité.
D’une façon générale, il serait souhaitable que soient établies à moyen terme
des normes internationales grâce aux travaux menés par l’ISO.
T 25-107
9-87
Fibres de carbone. Analyse chimique. Détermination
des impuretés métalliques.
Association française de normalisation (AFNOR)
T 25 Fibres de renfort autres que le verre
T 25-108
9-85
Fibres de carbone. Guide pour l’établissement des
spécifications.
T 25-109
10-86
NF T 25-110
10-89
Fibres de carbone. Désignation.
T 25-111-1
12-91
Fibres de carbone. Texture et structure. Partie 1 :
généralités.
NF EN ISO 1886
1-95
Fibres de renfort. Méthodes d’échantillonnage pour
le contrôle de réception de lots (remplace T 25-001,
10-87). Indice de classement : T 25-001.
Fibres de carbone. Spécifications techniques.
T 25-002
12-90
Fibres de renfort. Tissus secs. Défauts d’aspect.
Définition et évaluation.
T 25-111-2
12-91
T 25-003
12-92
Fibres de renfort. Fires de verre, de carbone et d’aramide. Vocabulaire bilingue (français-anglais).
Fibres de carbone. Texture et structure. Partie 2 :
analyse par diffraction des rayons X.
T 25-111-3
12-91
NF ISO 10119
10-96
Fibres de carbone. Détermination de la masse
volumique (remplace NF T 25-100, 9-87). Indice de
classement : T 25-100.
Fibres de carbone. Texture et structure. Partie 3 :
analyse azimutale par diffraction des rayons X.
T 25-111-4
12-91
Fibres de carbone. Texture et structure. Partie 4 :
fractographie par microscopie électronique.
NF T 25-101
10-86
Fibres de carbone. Essai de traction sur fil (mèche
continue) imprégné.
T 25-111-5
12-91
Fibres de carbone. Texture et structure. Partie 5 :
examen microscopique en lumière polarisée.
NF ISO 11566
11-97
Fibres de carbone. Détermination des propriétés en
traction sur éprouvette monofilament. Indice de
classement : T 25-102.
T 25-111-6
12-91
Fibres de carbone. Texture et structure. Partie 6 :
analyse par microdiffraction.
NF T 25-103
9-87
Fibres de carbone. Détermination de la masse
linéique.
T 25-112
9-89
Fibres de carbone. Analyse chimique. Détermination
des éléments métalloïdiques (norme commune
DIN 65579).
NF EN ISO 10548
5-96
Fibres de carbone. Détermination du taux d’ensimage (remplace NF T 25-104, 10-89). Indice de
classement : T 25-104.
T 25-200
10-86
Fibres de carbone. Tissus et nappes. Guide pour l’établissement des spécifications.
10-96
Plastiques. Vocabulaire. Amendement 5 : termes
relatifs aux fibres de carbone (remplace NF T 25-105,
10-89). Indice de classement : T 25-105.
T 25-201
9-92
Fibres de carbone. Tissus à base de fils. Généralités
et tableau synoptique.
T 25-205
9-92
Fibres de carbone. Tissus. Toile de 93 g/mètre carré.
Spécification.
NF ISO 472 A5
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites
E
N
11567
Deutsches Institut für Normung.
Japanese Industrial Standardization.
American Society for Testing and Materials.
International Organization for Standardization.
propriétés en traction, il existe encore des divergences entre les différentes
normes nationales en ce qui concerne le calcul du module en traction.
P
O
U
R
Doc. A 2 210 − 3
S
A
V
O
I
R
P
L
U
S
P
O
U
R
E
N
FIBRES DE CARBONE
___________________________________________________________________________________________________________________
T 25-210
9-92
Fibres de carbone. Tissus. Toile unidirectionnelle de
160 g/mètre carré. Spécification.
T 25-216
9-92
Fibres de carbone. Tissus. Toile de 193 g/mètre carré.
Spécification.
T 25-220
9-92
T 25-225
T 57 Composites plastiques
T 57-300
9-88
Plastiques. Composites à renfort carbone. Tissus et
nappes préimprégnés. Fabrication et contrôle des
plaques d’essai.
Fibres de carbone. Tissus. Satin de 4 de 220 g/mètre
carré. Spécification.
T 57-301
9-88
Plastiques. Composites à renfort carbone. Détermination des caractéristiques en traction.
9-92
Fibres de carbone. Tissus. Satin de 5 de 285 g/mètre
carré. Spécification.
T 57-302
12-89
T 25-230
9-92
Fibres de carbone. Tissus. Satin de 8 de 370 g/mètre
carré. Spécification.
Plastiques. Composites à renfort carbone. Détermination des caractéristiques en flexion. Méthode des
3 pannes.
T 57-303
12-89
T 25-240
9-92
Fibres de carbone. Tissus. Satin de 8 de 375 g/mètre
carré. Spécification.
Plastiques. Composites à renfort carbone. Détermination de la contrainte de cisaillement interlaminaire.
Méthode par flexion sur appuis rapprochés.
S
A
V
O
I
R
P
L
U
S
Doc. A 2 210 − 4
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites