Professeur Satish Kumar ingénieur de recherche M.G. Kamath examine le précurseur et les fibres de carbone traitées à Georgia Tech. Crédit :Gary Meek
Les fibres de carbone sont plus solides et plus légères que l'acier, et les matériaux composites à base de polymères renforcés de fibres de carbone sont utilisés dans une gamme croissante de l'aérospatiale, automobile, et d'autres applications - y compris les principales sections de l'avion Boeing 787. C'est largement admis, de plus, que la technologie de la fibre de carbone a le potentiel de produire des composites au moins 10 fois plus résistants que ceux utilisés aujourd'hui.
Une équipe de recherche du Georgia Institute of Technology a développé une nouvelle technique qui établit une nouvelle étape pour la résistance et le module des fibres de carbone. Cette approche alternative est basée sur une technique innovante de filage de polyacrylonitrile (PAN), une résine polymère organique utilisée pour fabriquer des fibres de carbone.
Le travail s'inscrit dans le cadre d'un programme de quatre ans, Projet de 9,8 millions de dollars parrainé par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) pour améliorer la résistance des matériaux en fibre de carbone. La recherche a été publiée récemment dans la revue Carbone .
"En utilisant une technique de filage sur gel pour transformer le copolymère de polyacrylonitrile en fibres de carbone, nous avons développé des fibres de carbone de nouvelle génération qui présentent une combinaison de résistance et de module jamais vue auparavant avec la méthode conventionnelle de filage en solution, " a déclaré Satish Kumar, professeur à la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering qui dirige le projet. "En outre, notre travail montre que l'approche de filature de gel offre une voie pour des améliorations encore plus importantes."
La photographie montre une fibre de carbone à haute résistance et à module élevé traitée à Georgia Tech. Crédit :Gary Meek, Géorgie Tech
Kumar a expliqué que le module de traction - une mesure de la rigidité - fait référence à la force nécessaire pour étirer un matériau d'une quantité donnée. La résistance à la traction exprime la force nécessaire pour réellement casser le matériau.
En filature gel, la solution est d'abord convertie en gel; cette technique lie les chaînes polymères ensemble et produit des forces inter-chaînes robustes qui augmentent la résistance à la traction. La filature de gel augmente également l'orientation directionnelle des fibres, ce qui augmente également la force. Par contre, en filature en solution conventionnelle, un procédé développé il y a plus de 60 ans, La solution de copolymère PAN est directement convertie en une fibre solide sans l'état de gel intermédiaire et produit un matériau moins robuste.
La fibre de carbone filée sur gel produite par l'équipe de Kumar a été testée à 5,5 à 5,8 gigapascals (GPa) – une mesure de la résistance à la traction ultime – et avait un module de traction compris entre 354 et 375 GPa. Le matériau a été produit sur une ligne de carbonisation continue à Georgia Tech qui a été construite pour ce projet DARPA.
« Il s'agit de la combinaison la plus élevée de résistance et de module pour toutes les fibres continues signalées à ce jour, " Kumar a dit. " Et à faible longueur de jauge, la résistance à la traction des fibres a été mesurée jusqu'à 12,1 GPa, qui est la valeur de résistance à la traction la plus élevée jamais rapportée pour une fibre de carbone à base de PAN."
De plus, Kumar a noté, la structure interne de ces fibres de carbone filées sur gel mesurée à l'échelle nanométrique a montré moins d'imperfections que les fibres de carbone commerciales de pointe, comme IM7. Spécifiquement, les fibres filées sur gel présentent un degré inférieur d'enchevêtrement des chaînes polymères que celles produites par filage en solution. Ce plus petit nombre d'enchevêtrements résulte du fait que le filage en gel utilise des concentrations de polymère plus faibles que les méthodes de filage en solution.
Kumar et son équipe convertissent le mélange de polymères filés sur gel en fibres de carbone via un processus de traitement sélectif appelé pyrolyse, dans lequel le polymère filé est progressivement soumis à la fois à la chaleur et à l'étirage. Cette technique élimine de grandes quantités d'hydrogène, oxygène, et l'azote du polymère, laissant principalement du carbone augmentant la résistance.
« Il est important de se rappeler que les performances actuelles des fibres de carbone à base de PAN filées en solution ont été atteintes après de nombreuses années d'optimisation des matériaux et des processus. fibre, " Kumar a dit. " À l'avenir, nous pensons que l'optimisation des matériaux et des processus, circularité renforcée des fibres, et une homogénéité accrue de la solution augmentera encore la résistance et le module de la méthode de filage sur gel. »
