Le processus de production de la fibre de carbone est complexe et requiert des exigences techniques élevées. Prenons l'exemple de la fibre de carbone à base de polyacrylonitrile, la plus utilisée. Son processus de production comprend principalement les étapes de préparation du précurseur, de préoxydation, de carbonisation, de graphitisation et de traitement de surface. Voici une description détaillée du processus :
Préparation de la soie brute：
polymérisationLe monomère d'acrylonitrile et le solvant diméthylsulfoxyde (DMSO) sont placés dans une cuve de polymérisation avec un comonomère et un initiateur azobisisobutyronitrile, selon le ratio approprié. La polymérisation en solution se produit à une température spécifique pour produire une solution mère de polyacrylonitrile. Le contrôle de facteurs tels que la température, le dosage de l'initiateur et le ratio eau/monomère est crucial pendant le processus de polymérisation, car ils influencent la masse moléculaire et la distribution du polymère, et donc la qualité du précurseur.
FilageLes procédés de filage courants incluent le filage humide et le filage humide par jet sec. En filage humide, la solution de filage est filtrée et dégazée, puis dosée avec précision dans une filière immergée dans un bain de coagulation via une pompe doseuse. La solution est extrudée de la filière et coagulée en filaments dans le bain de coagulation. En filage humide par jet sec, la solution de filage traverse une couche d'air sec ou d'azote après sa sortie de la filière, puis pénètre dans le bain de coagulation pour coagulation. Cette méthode permet d'obtenir des faisceaux de fibres plus uniformes et facilite la préparation de précurseurs plus résistants. Le précurseur formé doit être lavé à l'eau pour éliminer le solvant résiduel, puis séché et densifié à 100-150 °C, pour obtenir des précurseurs de PAN blancs d'un diamètre d'environ 10-15 μm.
PréoxydationLe précurseur de PAN est chauffé lentement à l'air libre entre 200 et 300 °C pendant plusieurs heures. Au cours de ce processus, les groupes cyanure (—C≡N) de la chaîne moléculaire subissent une réaction de cyclisation pour former une structure en échelle, libérant simultanément des gaz NH₃ et HCN. La vitesse de chauffage (1 à 5 °C/min) et la tension de la fibre doivent être contrôlées avec précision afin d'éviter une surchauffe localisée susceptible d'entraîner une rupture de la fibre. Après préoxydation, la fibre passe du blanc au noir et sa teneur en oxygène atteint 8 à 12 %, ce qui la rend résistante aux températures élevées.
carbonisationLes fibres préoxydées sont ensuite carbonisées sous atmosphère inerte (par exemple, N₂), puis chauffées progressivement de 400 °C à 1 600 °C, passant par deux étapes de carbonisation : à basse température (400-1 000 °C) et à haute température (1 000-1 600 °C). Dans cette plage de températures, les éléments non carbonés tels que l'azote, l'hydrogène et l'oxygène présents dans les fibres préoxydées sont libérés, formant une structure de graphite turbostratique. La densité des fibres augmente jusqu'à 1,7-1,9 g/cm³ et leur teneur en carbone dépasse 90 %, ce qui leur confère une forte résistance à la traction.
graphitisationLa graphitisation est nécessaire pour les fibres de carbone à haut module. Les fibres carbonisées sont traitées à des températures de 2 000 à 3 000 °C sous atmosphère de gaz inerte pour transformer le carbone contenu dans les fibres, passant d'une structure turbostratique à une structure graphite tridimensionnelle, augmentant ainsi leur module.
Traitement de surface et dimensionnementPour améliorer la liaison entre les fibres de carbone et la résine, les fibres de carbone carbonisées subissent un traitement de surface. Les principaux procédés comprennent l'électrolyse, le lavage, le collage et le séchage. Un encollage est ensuite appliqué. Les agents d'encollage, représentant généralement 0,5 à 5 % du poids de la fibre de carbone, protègent les fibres pendant la manipulation et le traitement, en confinant les filaments en faisceaux, en réduisant le peluchage, en améliorant la maniabilité et en augmentant la résistance au cisaillement interfacial entre la fibre et la résine de la matrice. Après encollage et séchage, la fibre de carbone finie est obtenue.
En résumé, la production de fibre de carbone est un processus complexe comportant de multiples étapes et exigeant une grande précision. Chaque étape a un impact clé sur les performances du produit final. Un contrôle précis des différents paramètres du processus est nécessaire pour garantir la production d'une fibre de carbone de haute qualité.
