Rachel Swaby

Lorsque la fibre de carbone a été introduite pour la première fois dans les caisses et les réservoirs de moteurs-fusées solides dans les années 1960, elle était prête non seulement à prendre en charge la fibre de verre, mais également toute une série d’autres matériaux.

Que s’est-il passé ?

50 ans plus tard, c’est toujours un matériau exotique. Bien sûr, Batman l’a dans son costume, les voitures chères en comportent quelques-unes dans leurs tableaux de bord et leurs pièces de performance, mais à 10 a la livre sur le bas de gamme, c’est encore trop cher pour un déploiement à grande échelle. Nous utilisons ce genre de choses depuis des décennies. Où est la loi de Moore sur la science des matériaux pour rendre ce genre de choses bon marché? Pourquoi est-ce encore si cher?

Il s’avère que même un demi-siècle plus tard, ce genre de choses est toujours une douleur majeure à faire.

Avant que la fibre de carbone ne devienne de la fibre de carbone, elle commence comme un matériau de base — généralement un polymère organique avec des atomes de carbone liant ensemble de longues chaînes de molécules appelées polyacrylonitrile. C’est un gros mot pour un matériau similaire à l’acrylique dans les pulls et les tapis. Mais contrairement aux acryliques pour sols et vêtements, celles qui se transforment en un matériau plus résistant et plus léger que l’acier ont un prix plus élevé. Un prix de départ de trois ish par livre peut ne pas sembler exorbitant, mais dans sa fabrication, le nombre augmente.

Voyez, pour obtenir la partie carbone de la fibre de carbone, la moitié de l’acrylique du matériau de départ doit être jetée. « Le produit final coûtera le double de ce que vous avez commencé, car la moitié brûle », explique Bob Norris du groupe composites à matrice polymère du laboratoire national d’Oak Ridge. « Avant même de comptabiliser l’énergie et l’équipement, le précurseur dans le produit final est quelque chose autour de 5 a la livre. »

Ce prix – 5 a la livre – est également le chiffre magique pour intégrer la fibre de carbone dans les applications automobiles grand public. Sept os feront l’affaire, mais cinq feront le plus grand bruit. Ainsi, en l’état, le matériau de base à lui seul a déjà fait exploser le budget.

Il y a plus. Forcer l’acrylique à perdre ses atomes non carbonés prend des machines monstrueuses et beaucoup de chaleur. La première des deux principales étapes de traitement est la stabilisation de l’oxydation. Ici, les fibres sont alimentées en continu à travers des fours de 50 à 100 pieds de long pompant une chaleur de plusieurs centaines de degrés Celsius. Le processus prend des heures, c’est donc un énorme mangeur d’énergie.

Ensuite, le matériau subit ce qu’on appelle la carbonisation. Bien que les fours ici soient plus courts et ne fonctionnent pas aussi longtemps, ils fonctionnent à des températures beaucoup plus élevées — nous prenons environ 1000 degrés Celsius pour l’étape initiale avant, puis un autre cycle de chauffage avec des températures encore plus élevées. C’est une facture d’électricité à laquelle tu ne veux même pas penser.

Et ça ne s’arrête pas là. Les fabricants doivent également faire face à l’acrylique qui ne tient pas pendant le processus de chauffage. Les gaz de dégagement doivent être traités pour ne pas empoisonner l’environnement. C’est pas bon marché d’être vert. « C’est beaucoup d’énergie, beaucoup d’immobilier et beaucoup de gros équipements », explique Norris. Et c’est juste dans la fabrication des fibres individuelles elles-mêmes.

Prenons une seconde pour parler d’où nous en sommes dans le processus de fabrication et où nous essayons d’obtenir. Ce panneau brillant à l’aspect impressionnant, dur comme le roc, ultra-léger et avec son tissage visible est ce à quoi vous pensez quand vous pensez à la fibre de carbone, n’est-ce pas? Eh bien, nous venons de faire les brins; nous devons encore les disposer en un treillis qui tire parti de la résistance unidirectionnelle du matériau et les lier ensemble.

Clouer le produit tissé signifie s’assurer que tous les brins tirent leur poids. « Il faut s’inquiéter du fait que les fibres soient toutes parallèles et étirées uniformément », explique Rob Klawonn, président de
le fabricant de fibres de carbone, Toho Tenax America. Un brin ondulé dans un treillis mettra une contrainte supplémentaire sur une fibre droite, et celle-ci finira par se briser en premier. Pour compenser la possibilité d’un tissage imparfait, les fabricants pourraient enfiler dix pour cent plus de fibres déjà coûteuses que nécessaire.

Seuls, les brins ne sont pas les éléments forts dont les fabricants ont besoin. Ils sont un renfort comme l’acier est dans le béton. En ce moment, les fibres de carbone fonctionnent avec une résine thermodurcissable. Ensemble, ils forment un composite qui peut être manipulé pour prendre une certaine forme. Le problème est qu’une fois que la résine a été façonnée et durcie dans un autoclave, cette forme ne peut pas être modifiée sans visser l’intégrité structurelle du produit. Une petite erreur signifie beaucoup de gaspillage — et de temps. Le thermodurcissable prend plus d’une heure, ce qui est long compte tenu de la rapidité avec laquelle l’industrie automobile étampe les panneaux de carrosserie.

Ainsi, la fibre de carbone ne nécessite pas seulement une solution géniale pour entrer dans une classe de prix inférieure, elle nécessite une révision complète des systèmes. Comme pour tout ce qui offre une grosse récompense financière, l’industrie est là-dessus.

Ces acryliques de type pull, par exemple, pourraient être utilisés à la place de ceux que les fabricants utilisent maintenant. « L’équipement est moins spécialisé, ce qui pourrait réduire le coût des précurseurs de 20 à 30% », explique Norris. Ils vérifient également les démarreurs de fibres de carbone renouvelables comme la lignine, qui provient du bois, au lieu des produits actuels à base de pétrole.

Des procédés de conversion alternatifs – à savoir l’échange de chaleur contre le chauffage au plasma – pourraient également réduire les coûts. « Cela réduit le temps car vous n’avez pas à chauffer tout le four; vous générez le plasma pour entourer les filaments « , explique Norris.

Les scientifiques n’ont pas encore tout à fait réussi le processus chimique pour que la fibre de carbone fonctionne avec des résines thermoplastiques. Mais une fois qu’ils le font, Klawonn de Toho Tenax America prédit une réduction des coûts de 60 à 70% dans le processus de conversion. Le grand changement est que les thermoplastiques sont rapides à mettre et peuvent être fondus et refondus, ce qui limite les déchets en cas d’erreur.

Le changement est à l’horizon. Norris souligne que la fibre de carbone a été installée à la place de l’aluminium sur les nouveaux avions de ligne commerciaux comme l’Airbus A380. « Ils sont de plus en plus courants, mais jusqu’à présent, c’est toujours dans les industries qui peuvent se permettre de payer pour la performance. »Espérons simplement que le coût s’effondrera avant que les industries qui en ont besoin le fassent.

Rachel Swaby est une écrivaine indépendante vivant à San Francisco. Regarde-la sur Twitter.

Four industriel image reproduite avec l’aimable autorisation de Harper International.

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