Les fibres de carbone sont des fibres d’environ 5 à 10μm de diamètre composées majoritairement d’atomes de carbone. Elles sont obtenues le plus souvent par oxydation puis carbonisation dans des fours de fibres de polyacrylonitrile ou PAN. La structure des fibres de carbone est finalement composée d’une superposition de microcristaux longs et plats alignés parallèlement à l’axe des fibres. Les principales propriétés de ces fibres sont:
- une forte résistance en traction et en compression
- un module d’élasticité élevé i.e. une forte rigidité
- une faible densité
- une excellente résistance chimique
- une excellente tenue à la température
- une bonne conduction électrique
La variation des paramètres de fabrication (température, temps etc.) permet d’obtenir des fibres aux caractéristiques différentes: haut module d’élasticité ou module d’élasticité intermédiaire, haute résistance à la traction etc.
Comparaison des fibres de carbone avec d’autres matériaux
| Matériau | Résistance à la traction (MPa) | Module d'élasticité (GPa) | Elongation maximale (%) | Densité (g/cm3) | Rapport résistance/poids (MPa/g/cm3) |
|---|---|---|---|---|---|
| Fibres de carbone (1) | 5407 | 294 | 1.75 | 1.79 | 3026 |
| Kevlar 49 (5) | 3650 | 124 | 2.5 | 1.44 | 2535 |
| Verre S (5) | 4600 | 88 | 5.5 | 2.49 | 1847 |
| Boron (5) | 3620 | 400 | 1 | 2.57 | 1409 |
| Alliage de titane Ti-6Al-4V (Grade 5) (2) | 620 | 113.8 | 14 | 4.43 | 140 |
| Acier à haute teneur en carbone (4) | 1010 | 198 | 14.6 | 7.49 | 135 |
| Alliage d'aluminium 6061-T6 (3) | 310 | 68.9 | 17 | 2.7 | 115 |
(1) valeurs moyennes calculées sur la gamme de fibres HexTowTM d’HexcelTM.
(2) données sur le titane Ti-6Al-4V (type 5) issues de matweb.com
(3) données sur l’aluminum 6061-T6 issues de matweb.com
(4) données sur l’acier à haute teneur en carbone issues de matweb.com
(5) données issues de engineeringtoolbox.com
Un fil de carbone comprend plusieurs milliers de fibres désigné par le nombre de K. Un fil de 12000 fibres est dit « 12K ». Les fibres de carbones sont ainsi fournies en bobines de fils de 1K, 3K, 6K, 12K, 24K ou 48K. L’étape du tissage permet d’organiser les fibres en une structure bidimensionnelle qui, prise dans une matrice (résine époxy ou polyester, céramique), permet la réalisation de pièces composites.