FR2994968A1 - Materiau composite a base de carbone - Google Patents

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Abstract

Il est décrit ici un matériau composite à base de carbone qui comprend une fibre de carbone à base de lyocell et une matrice de carbone. Le matériau composite à base de carbone présente d'excellentes propriétés physiques, notamment une faible conductivité thermique, une excellente adhérence interfaciale et une excellente robustesse, par rapport aux matériaux composites à base de carbone préparés en utilisant une fibre de carbone classique à base de polyacrylonitrile, une fibre de carbone à base de brai ou autre. Par ailleurs, le matériau composite à base de carbone décrit est respectueux de l'environnement et offre de faibles coûts de production par rapport aux matériaux composites à base de carbone comprenant une fibre de carbone classique à base de viscose produite en utilisant un solvant à base de disulfure de carbone hautement toxique.

Description

MATÉRIAU COMPOSITE À BASE DE CARBONE Contexte de l'invention Domaine de l'invention Les modes de réalisation illustratifs de la présente invention concernent un matériau composite à base de carbone comprenant une fibre de carbone à base de lyocell. Description de l'état de la technique Les matériaux composites à base de carbone comprennent un renfort en fibre de carbone et une matrice de carbone, qui présentent tous deux une bonne résistance thermique et de bonnes propriétés mécaniques. Le renfort nécessaire à la préparation des matériaux composites à base de carbone est préparé par divers procédés.
Les renforts en fibre de carbone sont subdivisés, en fonction de l'agencement des fibres, entre le renfort en fibre aléatoire dans lequel les fibres de carbone courtes sont distribuées de façon aléatoire, le renfort en fibre unidimensionnel (1D) dans lequel toutes les fibres de carbone sont agencées de manière parallèle dans la même direction, le renfort en fibre bidimensionnel (2D) dans lequel les fibres de carbone sont agencées dans une configuration planaire, tel que le tissu, et le renfort en fibre tridimensionnel (3D) dans lequel toutes les fibres de carbone sont renforcées dans trois directions dimensionnelles. Les fibres de carbone qui sont utilisées dans la préparation des matériaux composites à base de carbone sont principalement produites par carbonisation de fibres de polyacrylonitrile à température élevée, et dans certains cas, elles sont produites à partir de fibres de viscose ou de fibres de brai. Les matériaux composites à base de carbone comprenant une fibre de carbone classique ont une excellente résistance thermique et une excellent résistance à la flamme etc., et peuvent donc être largement utilisés dans divers domaines, tandis que les fibres de carbone classiques à base de polyacrylonitrile ont une conductivité thermique élevée, et que les fibres de carbone classiques à base de viscose sont produites en utilisant un solvant à base de disulfure de carbone hautement toxique qui peut entraîner une pollution de l'environnement. (Documents relatifs à l'art antérieur) (Documents relatifs au brevet) Document relatif au brevet 1 : Brevet coréen de N° d'enregistrement 10-1 138 291 Résumé de l'invention Un mode de réalisation de la présente invention consiste à fournir un matériau composite à base de carbone comprenant une fibre de carbone à base de lyocell, qui présente une faible conductivité thermique, une excellent adhérence interfaciale et de faibles coûts de production et qui est respectueux de l'environnement, par rapport aux matériaux composites à base de carbone préparés en utilisant des fibres de carbone classiques. Conformément à un mode de réalisation de la présente invention, un matériau composite à base de carbone comprend une fibre de carbone à base de lyocell et une matrice de carbone. Brève description des dessins La Figure 1 est une vue schématique de tiges de fibres faites de fibres de carbone.
La Figure 2 est une vue schématique illustrant la section transversale d'un tissu en fibres de carbone. La Figure 3 illustre diverses façons d'agencement de tiges de fibres de carbone : (a) agencées dans une seule direction, (b) agencées dans deux directions et (c) agencées dans trois directions.
Description de modes de réalisation spécifiques Des modes de réalisation illustratifs de la présente invention vont être décrits ci-dessous. La présente invention décrit un matériau composite à base de carbone comprenant une fibre de carbone à base de lyocell et une matrice de carbone. La fibre de carbone à base de lyocell est de préférence entourée d'une matrice de carbone. Spécifiquement, la fibre de carbone à base de lyocell sert de renfort pour le matériau composite à base de carbone, et la matrice de carbone sert de matrice qui entoure la fibre de carbone à base de lyocell, en améliorant ainsi les propriétés physiques du matériau composite à base de carbone.
La fibre de carbone à base de lyocell comprend de préférence une fibre de lyocell carbonisée. Spécifiquement, la fibre de carbone à base de lyocell est de préférence produite par des procédés de production de fibres de carbone comprenant un procédé de prétraitement, un procédé de stabilisation, un procédé de carbonisation et un procédé de graphitisation. Les fibres de lyocell sont produites par des procédés nouvellement mis au point qui n'utilisent pas de composant entraînant une pollution de l'environnement et nocif pour le corps humain. Ces fibres sont des fibres filées au sec ou au mouillé produites en utilisant de la pâte naturelle à base de cellulose et le solvant N-méthylmorpholine-N-oxyde (NMMO), qui dissout la pâte, en tant que matières premières. La matière première pour produire les fibres de lyocell est de la cellulose extraite à partir de pâte à bois ; il s'agit d'un polymère complètement biodégradable qui est recyclable et respectueux de l'environnement. Par ailleurs, ces fibres peuvent être produites en utilisant un procédé qui ne rejette pas de polluants, contrairement aux fibres de viscose classiques. La fibre de carbone à base de lyocell est de préférence produite par traitement à chaud d'une fibre de lyocell à une température située dans la plage de 100 à 2 800 °C. Spécifiquement, le procédé de stabilisation est réalisé en deux étapes. De préférence, la première étape du procédé de stabilisation est réalisée à une température située dans la plage de 100 à 250 °C pendant 10 à 30 heures, et la deuxième étape est réalisée à une température située dans la plage de 300 à 500 °C pendant 10 à 100 heures. Si le procédé de stabilisation est réalisé dans la plage de température décrite ci-dessus, la fibre résultante est hautement stable sans décomposition thermique. Le procédé de carbonisation est de préférence réalisé par traitement thermique à une température située dans la plage de 900 à 1 700 °C pendant 10 à 30 heures. Si le procédé de carbonisation est réalisé dans la plage de température indiquée ci-dessus, une efficacité élevée de la carbonisation est garantie. Le procédé de graphitisation est de préférence réalisé en chauffant la fibre à une température de graphitisation comprise entre 2 000 et 2 800 °C et en maintenant la fibre à une température comprise entre 2 000 et 2 800 °C pendant 10 heures ou moins. Si le procédé de graphitisation est réalisé dans la plage de température indiquée ci-dessus, le degré de graphitisation de la fibre peut être augmenté. La fibre de carbone à base de lyocell a de préférence une teneur en carbone de 50 (3/0 ou plus, et plus préférablement de 80 (3/0 ou plus. Si la teneur en carbone est située dans la plage indiquée ci-dessus, le matériau composite à base de carbone est léger et présente une excellente robustesse.
La fibre de carbone à base de lyocell a de préférence soit une structure à longues fibres constituée de fils de filaments soit une structure de type filé fabriquée par torsion de fibres courtes, mais sans que ce soit limitatif. La fibre à base de lyocell se présente de préférence sous la forme d'un tissé, d'un non-tissé, d'un tricot, d'un tricot à mailles jetées multiaxial, d'un tissu unidirectionnel, d'un voile ou d'une fibre coupée, mais sans que ce soit limitatif. La fibre de carbone à base de lyocell est produite par carbonisation d'une fibre de lyocell et se présente de préférence sous la forme d'une tige de fibres obtenue en combinant la fibre de lyocell avec une résine liante. Dans le cas d'un matériau composite à base de carbone comprenant la fibre de carbone à base de lyocell en forme de tige, une charge mécanique appliquée sur le matériau composite à base de carbone peut être immédiatement absorbée par la fibre de carbone à base de lyocell, et est donc transférée très efficacement sur la fibre de carbone à base de lyocell. Cela semble indiquer que le matériau composite à base de carbone comprenant la fibre de carbone à base de lyocell en forme de tige a une robustesse et un module significativement améliorés par rapport à un matériau composite à base de carbone comprenant un tissu en fibre de carbone ou une fibre de carbone non façonnés. La Figure 1 est une vue schématique de tiges de fibres faites de fibres de carbone, et la Figure 2 est une vue schématique illustrant la section transversale d'un tissu en fibres de carbone. Comme on peut le constater sur la Figure 1, la fibre de carbone en forme de tige présente une excellente rectitude, tandis que la fibre de carbone illustrée sur la Figure 2 a une rectitude médiocre en raison de nombreuses frisures causées par l'intersection entre la chaîne et la trame.
Spécifiquement, la fibre de carbone en forme de tige ayant une excellente rectitude absorbe immédiatement la charge, et ainsi un matériau composite comprenant celle-ci a une robustesse et un module élevés, tandis qu'une fibre de carbone ayant une rectitude médiocre telle qu'illustrée sur la Figure 2 ne présente pas une robustesse suffisante tant que la fibre n'est pas tendue dans la direction d'application de la charge, à savoir, tant que les frisures de la fibre ne sont pas complètement étirées. Par ailleurs, la fibre de carbone ayant une rectitude médiocre a également l'inconvénient de présenter un faible module, puisqu'elle peut être facilement déformée tant que les frisures ne sont pas complètement étirées. Ces tiges de fibres de carbone peuvent être agencées dans diverses directions telles qu'illustrées sur la Figure 3 pour produire des matériaux composites à base de carbone ayant diverses structures. Les matériaux composites à base de carbone produits tel que décrit ci-dessus peuvent présenter une robustesse et un module très élevés dans la direction dans laquelle les tiges de fibres sont agencées. Tel que décrit ci-dessus, les matériaux composites à base de carbone de la présente invention comprennent la fibre de carbone à base de lyocell en forme de tige comprenant la résine liante, et peuvent ainsi présenter une robustesse et un module très élevés. La résine liante est de préférence une résine d'alcool polyvinylique, une résine époxy ou une résine phénolique, mais sans que ce soit limitatif. Le matériau composite à base de carbone est de préférence préparé en combinant la fibre de carbone à base de lyocell avec la matrice de carbone en utilisant un procédé d'imprégnation et de carbonisation de résine, un procédé d'infiltration chimique en phase vapeur ou un procédé d'imprégnation et de carbonisation de brai. Spécifiquement, les procédés d'imprégnation de la fibre de carbone à base de lyocell par la matrice de carbone comprennent, mais sans que ce soit limitatif : un procédé d'imprégnation et de carbonisation de résine dans lequel la fibre de carbone est imprégnée par la résine polymère et carbonisée à température élevée ; un procédé d'infiltration chimique en phase vapeur dans lequel un composant à base de carbone obtenu par décomposition thermique d'un gaz d'hydrocarbure est déposé sur la fibre de carbone ; et un procédé d'imprégnation et de carbonisation de brai dans lequel la fibre de carbone est imprégnée par un brai produit à partir de charbon ou de pétrole. Dans le procédé d'imprégnation et de carbonisation de résine, le matériau composite à base de carbone est de préférence préparé en utilisant une résine phénolique, une résine furanique ou une résine de polyarylacétylène, mais sans que ce soit limitatif. L'utilisation de ladite résine phénolique, résine furanique ou résine de polyarylacétylène a l'avantage que la quantité de carbone restant après la carbonisation à haute température est élevée, de sorte que la fibre de carbone peut être efficacement imprégnée par la matrice de carbone. Dans le procédé d'infiltration chimique en phase vapeur, le matériau composite à base de carbone est de préférence préparé en utilisant un hydrocarbure comportant de 1 à 7 atomes de carbone par molécule, mais sans que ce soit limitatif. Si le nombre d'atomes de carbone de l'hydrocarbure est situé dans la plage indiquée ci-dessus, l'hydrocarbure vaporisé par chauffage s'infiltre facilement dans la fibre de carbone, mais si le nombre d'atomes de carbone est de 8 ou plus, l'hydrocarbure vaporisé par chauffage ne s'infiltre pas facilement dans la fibre de carbone.
Dans le procédé d'imprégnation et de carbonisation de brai, le matériau composite à base de carbone est de préférence préparé en utilisant un brai à base de charbon ou un brai à base de pétrole, mais sans que ce soit limitatif. L'utilisation du brai à base de charbon ou du brai à base de pétrole a l'avantage que la quantité de carbone restant après carbonisation à haute température est élevée, de sorte que la fibre de carbone peut être efficacement imprégnée par la matrice de carbone. Par ailleurs, le brai à base de charbon ou le brai à base de pétrole est peu coûteux. Ci-après, la présente invention va être décrite en référence à des exemples, mais la portée de la présente invention ne se limite pas à ces exemples. Exemple 1 Une fibre de lyocell a été tissée sous la forme d'une étoffe croisée en utilisant une machine à tisser à lances, puis lavée par immersion dans de l'acétone pure à 99,8 (3/0 pendant environ 2 heures. Le tissu lavé a été immergé dans une solution de 5 (3/0 en poids de silicone RTV (polymère à base de silicone) dans du perchloroéthylène à environ 25 °C pendant environ 30 minutes, puis immergé dans une solution aqueuse de 15 (3/0 en poids de chlorure d'ammonium (sel ininflammable) pendant environ 30 minutes, ce qui a été suivi d'un séchage à une température d'environ 80 °C. Le tissu prétraité à base de lyocell a été chauffé dans un four de traitement thermique à une température d'environ 200 °C et à une vitesse de 30 °C/h, puis chauffé à 300 °C à une vitesse de 2 °C/h, pour ainsi stabiliser le tissu. Ensuite, le tissu stabilisé a été chauffé à 1 700 °C à une vitesse de 50 °C/h et carbonisé pendant 10 heures. Le tissu carbonisé a été chauffé à 2 000 °C à une vitesse de 100 °C/h et graphitisé pendant 1 heure, pour ainsi fabriquer le tissu en fibre de carbone à base de lyocell qui a une teneur en carbone de 90 (3/0 ou plus et une densité de surface de 350 g/m2 et qui est constitué de longues fibres.
Une solution à 70 (3/0 de résine phénolique dans un solvant de méthanol a été préparée. Les tissus en fibre de carbone à base de lyocell ont été immergés dans la solution de résine phénolique, empilés les uns sur les autres, chauffés à 150 °C dans un autoclave, et comprimés à 200 psi pendant 3 heures, pour ainsi préparer un matériau composite de type plat. Ensuite, le matériau composite de type plat a été carbonisé à 1 500 °C. Ensuite, le matériau composite de type plat carbonisé a été immergé dans une résine phénolique, après quoi le procédé de chauffage à 150 °C et de compression à 200 psi pendant 3 heures et le procédé de carbonisation à 1 500 °C ont été répétés trois fois supplémentaires, pour ainsi préparer un matériau composite à base de carbone.35 Exemple comparatif 1 Un matériau composite à base de carbone a été préparé de la même manière que dans l'Exemple 1, mis à part le fait qu'une fibre de carbone à base de polyacrylonitrile a été utilisée à la place de la fibre de carbone à base de lyocell.
Exemple comparatif 2 Un matériau composite à base de carbone a été préparé de la même manière que dans l'Exemple 1, mis à part le fait qu'une fibre de lyocell non carbonisée a été utilisée à la place de la fibre de carbone à base de lyocell.
Exemple test 1 Les propriétés physiques des matériaux composites à base de carbone préparés dans l'Exemple 1 et l'Exemple comparatif 1 ont été testées, et les résultats du test sont indiqués dans le Tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1 Exemple 1 Exemple comparatif 1 Conductivité thermique (W/mK) 41 53 Résistance au cisaillement (MPa) 16 13 Comme on peut le constater dans le Tableau 1 ci-dessus, le matériau composite à base de carbone préparé dans l'Exemple 1 selon la présente invention présentait une faible conductivité thermique et une résistance élevée au cisaillement par rapport au matériau composite à base de carbone préparé en utilisant la fibre de carbone classique à base de polyacrylonitrile de l'Exemple comparatif 1. Par conséquent, le matériau composite à base de carbone de l'Exemple 1 présente d'excellentes propriétés physiques. Exemple test 2 Les propriétés physiques des matériaux composites à base de carbone préparés dans l'Exemple 1 et l'Exemple comparatif 2 ont été testées, et les résultats du test sont indiqués dans le Tableau 2 ci-dessous. Tableau 2 Comme on peut le constater dans le Tableau 2 ci-dessus, le matériau composite à base de carbone préparé dans l'Exemple 1 selon la présente invention présentait une résistance thermique élevée par rapport au matériau composite à base de carbone Exemple 1 Exemple comparatif 2 Résistance thermique (°C) 1 000 ou supérieure 330 préparé en utilisant la fibre de lyocell non carbonisée de l'Exemple comparatif 2. Par conséquent, le matériau composite à base de carbone de l'Exemple 1 présente d'excellentes propriétés physiques. Tel que décrit ci-dessus, le matériau composite à base de carbone comprenant une fibre de carbone à base de lyocell selon la présente invention présente d'excellentes propriétés physiques, notamment une faible conductivité thermique, une excellente adhérence interfaciale et une excellente robustesse, par rapport aux matériaux composites à base de carbone préparés en utilisant une fibre de carbone classique à base de polyacrylonitrile, une fibre de carbone à base de brai ou autre.
Par ailleurs, le matériau composite à base de carbone de la présente invention comprend une fibre de lyocell produite en utilisant un solvant de N-méthylmorpholine-Noxyde (NMMO), qui est inoffensif pour le corps humain et l'environnement et qui est recyclable. Ainsi, le matériau composite à base de carbone de la présente invention est respectueux de l'environnement et offre de faibles coûts de production par rapport aux matériaux composites à base de carbone comprenant une fibre de carbone classique à base de viscose produite en utilisant un solvant à base de disulfure de carbone hautement toxique.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Matériau composite à base de carbone comprenant une fibre de carbone à base de lyocell et une matrice de carbone.
  2. 2. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell comprend une fibre de lyocell carbonisée.
  3. 3. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell est entourée de la matrice de carbone.
  4. 4. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell est produite par traitement à chaud d'une fibre de lyocell à une température comprise de 100 à 2 800 °C.
  5. 5. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell a soit une structure à longues fibres constituée de fils de filaments soit une structure de type filé fabriquée par tordage de fibres courtes.
  6. 6. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell se présente sous la forme d'un tissé, d'un non-tissé, d'un tricot, d'un tricot à mailles jetées multiaxial, d'un tissu unidirectionnel, d'un voile ou d'une fibre coupée.
  7. 7. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 1, dans lequel la fibre de carbone à base de lyocell se présente sous la forme d'une tige de fibres comprenant une résine liante.
  8. 8. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 7, dans lequel la résine liante est une résine d'alcool polyvinylique, une résine époxy ou une résine phénolique.
  9. 9. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 1, dans lequel le matériau composite à base de carbone est préparé en combinant la fibre de carbone à base de lyocell avec la matrice de carbone en utilisant un procédéd'imprégnation et de carbonisation de résine, un procédé d'infiltration chimique en phase vapeur ou un procédé d'imprégnation et de carbonisation de brai.
  10. 10. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 9, dans lequel le procédé d'imprégnation et de carbonisation de résine est réalisé en utilisant une résine phénolique, une résine furanique ou une résine de polyarylacétylène.
  11. 11. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 9, dans lequel le procédé d'infiltration chimique en phase vapeur est réalisé en utilisant un hydrocarbure comportant de 1 à 7 atomes de carbone par molécule.
  12. 12. Matériau composite à base de carbone selon la revendication 9, dans lequel le procédé d'imprégnation et de carbonisation de brai est réalisé en utilisant un brai à base de charbon ou un brai à base de pétrole.
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