Que sont les fibres de carbone ?
Les fibres de carbone sont des unités de carbone à longue chaîne de type graphite ayant une structure en réseau. Les unités de carbone en réseau à longue chaîne sont dues à la propriété de caténation des atomes de carbone, c'est-à-dire à la liaison des atomes d'un élément similaire.
Thomas Elva Edison est reconnu pour avoir créé le premier filament de carbone destiné à tester le filament électrique de l'ampoule en utilisant du coton naturel.
Les précurseurs sont les éléments bruts utilisés dans la production de fibres de carbone.
Comment est fabriquée la fibre de carbone ?
La plupart des fibres de carbone sont fabriquées à partir d'un procédé appelé polyacrylonitrile ou PAN. Au cours du processus, une feuille de fibres est exposée à une chaleur si élevée que presque tout, sauf le carbone lui-même, est brûlé.
Étapes pour fabriquer des fibres de carbone normales :
1 : Polymérisation : Pour fabriquer un polymère à longue chaîne, le précurseur est polymérisé.
2 : Filature : Après cela, le polymère est filé en fibres longues. Des procédures chimiques et mécaniques sont couramment utilisées.
3 : Oxydant : La fibre est stabilisée en la chauffant à l’air. Il absorbe l'oxygène de l'air et subit un processus sophistiqué de réarrangement atomique pour stabiliser la fibre.
4 : Carbonisation : En l'absence d'oxygène, le traitement à haute température de la fibre oxydée et stabilisée favorise la perte d'atomes non carbonés, ce qui donne une fibre de carbone étroitement tassée.
5 : Traitement de surface : Les fibres carbonisées ont de faibles capacités de liaison, ce qui rend difficile leur fusion avec les résines époxy pour produire un composite. Pour acquérir cette capacité de liaison, la surface est traitée avec les produits chimiques appropriés.
6 : Encollage : Pour la protection, les fibres sont recouvertes d'époxy, de nylon, de polyester et d'autres matériaux. C'est ce qu'on appelle le dimensionnement.
La feuille brute de fibre de carbone est ensuite fusionnée avec d'autres métaux (un élément important pour comprendre la conductivité de la fibre de carbone), et le composé résultant est traité et dimensionné à l'aide de processus chimiques.
Le processus est approfondi et donc coûteux.
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La fibre de carbone est-elle conductrice à elle seule ?
Non, la fibre de carbone n'est pas trop conductrice lorsqu'elle n'est combinée à rien d'autre, ni en termes de conductivité thermique, ni électrique.
En matière de conductivité thermique (capacité à conduire la chaleur), la fibre de carbone est moyenne. La fibre de carbone de relativement haute qualité a à peu près autant de conductivité thermique que le silicium, et même la fibre de carbone haut de gamme a une conductivité inférieure à celle de l'aluminium.
La vieille fibre de carbone ordinaire est un peu meilleure en matière de conduction électrique, même si elle n'est toujours pas aussi conductrice que la plupart des métaux. Lorsqu'elle est utilisée comme conducteur électrique, il est préférable de modifier la fibre de carbone en la tissant avec d'autres métaux ou en créant un allotrope de carbone plus conducteur électrique comme le diamant ou le graphite.
Comment pouvons-nous rendre la fibre de carbone plus conductrice ?
Pour augmenter la conductivité électrique, la fibre de carbone doit être traitée avec d'autres matériaux une fois isolée. Les meilleurs composés à combiner avec la fibre de carbone afin d'augmenter la conductivité sont le latex pour la conductivité ionique (à travers un liquide) et la fumée de silice pour la conductivité électronique (à travers un solide).
Il existe des allotropes de carbone qui conduisent la chaleur bien mieux que la fibre de carbone --. Le diamant, en particulier, conduit la chaleur jusqu'à 100 fois plus efficacement que la fibre de carbone ordinaire. Créer ces allotropes est loin d’être facile, mais il existe des processus impliquant la pression, la chaleur et d’autres réactions chimiques qui rendent les transformations possibles. Si la fibre de carbone est traitée avec ces allotropes de carbone lorsqu'ils sont prêts, la conductivité thermique de la fibre de carbone peut être multipliée par plusieurs.
Alors, la fibre de carbone est-elle conductrice ? Pas tellement dans son état de base, mais cela peut facilement changer avec un peu de science.
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La fibre de carbone est-elle conductrice par rapport au métal ?
Pas tout seul, non. Cependant, lorsqu’il est traité avec d’autres métaux, c’est le cas.
À elle seule, la fibre de carbone n’est pas un grand conducteur d’électricité par rapport au métal. En fait, la plupart des métaux conduisent l’électricité environ 1 000 fois plus que la fibre de carbone ordinaire. Même lorsqu’elle est traitée avec d’autres matériaux, la fibre de carbone n’est toujours pas aussi bonne que le métal en matière de conduction électrique. Les métaux comme l'argent, l'aluminium et le cuivre sont particulièrement bons pour conduire l'électricité, mais environ 100 fois plus vite que la fibre de carbone traitée avec de bons conducteurs électriques.
Conduire l’énergie thermique est une autre histoire. Lorsqu’elle est bien fabriquée et traitée correctement, la fibre de carbone est en réalité plus conductrice de chaleur qu’un métal hautement conducteur comme le cuivre.
Quelles sont les utilisations de la fibre de carbone conductrice ?
La fibre de carbone traitée est utilisée dans des articles de luxe comme les casques et les bagages qui bénéficient de leur légèreté et de leur durabilité. Mais la conductivité de la fibre de carbone brille dans des utilisations plus industrielles comme les revêtements de conteneurs dans les projets d'ingénierie et aérospatiaux.
La science travaille toujours à améliorer la conductivité électrique de la fibre de carbone. En raison de sa durabilité suprême, de sa résistance à la chaleur, de sa légèreté et de sa petite taille par rapport à des éléments tels que les fils métalliques, on s'attend à ce que les produits en fibre de carbone soient beaucoup plus utilisés comme conducteurs à l'avenir.
La fibre de carbone possède de nombreuses qualités étonnantes. L’un d’eux est ses étonnantes capacités en tant que conducteur thermique ou électrique lorsqu’il est traité avec d’autres composites métalliques.
