La fibre de carbone est un nouveau matériau polymère inorganique dont la teneur en carbone est supérieure à 95 %. Elle présente une faible densité, une résistance élevée, une résistance aux hautes températures, une excellente stabilité chimique, une excellente résistance à la fatigue et à l'usure, ainsi que d'excellentes propriétés physiques et chimiques. Elle présente également une forte atténuation des vibrations, une bonne conductivité thermique, un blindage électromagnétique et un faible coefficient de dilatation thermique. Ces excellentes propriétés la rendent largement utilisée dans l'aérospatiale, le transport ferroviaire, la construction automobile, l'armement et l'équipement, les engins de chantier, la construction d'infrastructures, le génie maritime, le génie pétrolier, l'énergie éolienne et les articles de sport, entre autres.
Compte tenu des besoins stratégiques nationaux en matière de matériaux en fibre de carbone, la Chine l'a classée parmi les technologies clés des industries émergentes bénéficiant d'un soutien important. Dans le cadre de la planification scientifique et technologique nationale « Douze Cinq », la technologie de préparation et d'application de la fibre de carbone haute performance figure parmi les technologies clés des industries émergentes stratégiques soutenues par l'État. En mai 2015, le Conseil des affaires d'État a officiellement publié « Made in China 2025 », faisant des nouveaux matériaux l'un des domaines clés d'une promotion et d'un développement vigoureux, notamment les matériaux de structure haute performance. Les composites avancés sont au cœur du développement de ces nouveaux matériaux. En octobre 2015, le ministère de l'Industrie et de l'Information a publié officiellement la « Feuille de route technologique des domaines clés de l'industrie manufacturière chinoise 2025 », qui considère la fibre haute performance et ses composites comme un matériau stratégique clé. L'objectif pour 2020 est de « produire des composites en fibre de carbone nationaux pour répondre aux exigences techniques des avions gros porteurs et autres équipements importants ». En novembre 2016, le Conseil des affaires d'État a publié le Plan national de développement stratégique des industries émergentes (Treize-Cinq), qui vise à renforcer la coopération en amont et en aval de l'industrie des nouveaux matériaux, notamment dans les composites à fibres de carbone, afin de réaliser des démonstrations pilotes d'application collaborative et de créer une plateforme d'application collaborative. En janvier 2017, le ministère de l'Industrie et du Développement, la Commission nationale pour la réforme du développement économique (NDRC), le ministère des Sciences et Technologies et le ministère des Finances ont élaboré conjointement le Guide pour le développement de l'industrie des nouveaux matériaux et proposé qu'à compter de 2020, « plus de 70 nouveaux matériaux clés, notamment dans les composites à fibres de carbone, les aciers spéciaux de haute qualité et les alliages légers avancés, soient industrialisés et utilisés dans d'autres domaines, et que le système de soutien aux équipements de traitement soit adapté au niveau de développement de l'industrie chinoise des nouveaux matériaux ».
La fibre de carbone et ses composites jouant un rôle important dans la défense nationale et la subsistance de la population, de nombreux experts se concentrent sur leur développement et l'analyse des tendances de la recherche. Le Dr Zhou Hong a passé en revue les contributions scientifiques et technologiques des scientifiques américains aux premiers stades du développement de la technologie de la fibre de carbone haute performance, et a analysé et présenté 16 applications principales et avancées technologiques récentes de la fibre de carbone. Le Dr Wei Xin a également passé en revue la technologie de production, les propriétés et l'application de la fibre de carbone polyacrylonitrile ainsi que son développement technologique actuel. Il a également formulé des suggestions constructives pour résoudre les problèmes rencontrés dans le développement de la fibre de carbone en Chine. De plus, de nombreuses personnes ont mené des recherches sur l'analyse métrologique des articles et des brevets dans le domaine de la fibre de carbone et de ses composites. Par exemple, Ma Xianglin et d'autres ont présenté le point de vue métrologique sur la répartition des brevets sur la fibre de carbone et les applications du domaine de l'analyse entre 1998 et 2017 ; Yang Sisi et d'autres se sont basés sur la plate-forme d'innographie pour la recherche de brevets et les statistiques de données sur les tissus en fibre de carbone à l'échelle mondiale, à partir de la tendance annuelle de développement des brevets, des titulaires de brevets, du point chaud de la technologie des brevets et du brevet de base de la technologie sont analysés.
En ce qui concerne la recherche et le développement sur la fibre de carbone, la Chine suit une trajectoire de recherche quasiment synchronisée avec le reste du monde. Cependant, le développement est lent. La production de fibres de carbone haute performance présente un retard sur les marchés étrangers en termes d'échelle et de qualité. Il est donc urgent d'accélérer la R&D, de faire progresser la stratégie et de saisir les opportunités de développement industriel. Par conséquent, cet article examine d'abord la structure des projets de recherche sur la fibre de carbone dans les différents pays afin de comprendre leur planification. Ensuite, la recherche fondamentale et la recherche appliquée sur la fibre de carbone étant essentielles à la recherche et au développement techniques, nous réalisons une analyse métrologique à partir des résultats de la recherche universitaire (articles scientifiques) et de la recherche appliquée (brevets) afin d'obtenir une compréhension globale des progrès de la R&D dans le domaine de la fibre de carbone et d'analyser les développements récents de la recherche dans ce domaine afin d'évaluer les avancées internationales en matière de R&D. Enfin, sur la base de ces résultats, nous proposons des pistes de recherche et de développement pour la fibre de carbone en Chine.
2. Cfibre d'arbondisposition du projet de rechercheprincipaux pays/régions
Les principaux pays producteurs de fibre de carbone sont le Japon, les États-Unis, la Corée du Sud, certains pays européens et Taïwan (Chine). Les pays à la pointe de la technologie, qui ont déjà commencé à développer la fibre de carbone, ont pris conscience de l'importance de ce matériau et ont mis en place une stratégie pour promouvoir activement son développement.
2.1 Japon
Le Japon est le pays le plus développé en matière de technologie de la fibre de carbone. Les trois entreprises japonaises Toray, Bong et Mitsubishi Liyang représentent environ 70 à 80 % du marché mondial de la production de fibre de carbone. Néanmoins, le Japon attache une grande importance au maintien de ses atouts dans ce domaine, notamment le développement de fibres de carbone à base de fibres de carbone hautes performances et de technologies respectueuses de l'environnement et de l'énergie. Grâce à un soutien humain et financier important, ce projet est devenu un projet stratégique à promouvoir dans le cadre de plusieurs politiques fondamentales, notamment le Plan énergétique de base, le Plan stratégique pour la croissance économique et le Protocole de Kyoto. S'appuyant sur la politique nationale fondamentale en matière d'énergie et d'environnement, le ministère japonais de l'Économie, de l'Industrie et des Ressources a lancé le Programme de recherche et développement sur les technologies d'économie d'énergie. Grâce à cette politique, l'industrie japonaise de la fibre de carbone a pu centraliser plus efficacement tous les aspects des ressources et promouvoir la résolution des problèmes courants.
Le projet « Développement technologique de nouveaux matériaux structurels innovants » (2013-2022) est un projet mis en œuvre dans le cadre du « Projet de recherche sur le développement futur » au Japon. Il vise à développer de manière significative les technologies nécessaires aux matériaux structurels innovants et à la combinaison de différents matériaux, avec pour objectif principal de réduire le poids des moyens de transport (de moitié par rapport à celui d'une voiture). Et enfin, de concrétiser leur application pratique. Après avoir repris le projet de recherche et développement en 2014, l'Agence de développement des technologies industrielles (NEDO) a développé plusieurs sous-projets dont les objectifs généraux du projet de recherche sur les fibres de carbone « Recherche et développement fondamentaux sur les fibres de carbone innovantes » étaient : développer de nouveaux composés précurseurs de fibres de carbone ; élucider le mécanisme de formation des structures de carbonisation ; et développer et normaliser les méthodes d'évaluation des fibres de carbone. Le projet, dirigé par l'Université de Tokyo et impliquant conjointement l'Institut de technologie industrielle (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan et Mitsubishi Liyang, a réalisé des progrès significatifs en janvier 2016 et constitue une autre avancée majeure dans le domaine de la fibre de carbone à base de pan après l'invention du « mode Kondo » au Japon en 1959.
2.2 États-Unis
L'Agence américaine de recherche en défense (DARPA) a lancé le projet « Fibres structurelles avancées » en 2006 afin de fédérer les principaux acteurs de la recherche scientifique du pays pour développer des fibres structurelles de nouvelle génération à base de fibres de carbone. Grâce à ce projet, l'équipe de recherche du Georgia Institute of Technology (GTI) aux États-Unis a perfectionné la technologie de préparation du fil brut en 2015, augmentant son module d'élasticité de 30 %, dotant ainsi les États-Unis de la capacité de développement de la troisième génération de fibres de carbone.
En 2014, le Département de l'énergie des États-Unis (DOE) a annoncé une subvention de 11,3 millions de dollars pour deux projets sur les « procédés catalytiques en plusieurs étapes pour la conversion de sucres de biomasse non comestibles en acrylonitrile » et « la recherche et l'optimisation de l'acrylonitrile dérivé de la production de biomasse » pour promouvoir l'utilisation de résidus agricoles, la recherche sur des matériaux en fibre de carbone renouvelables à haute performance et à coût compétitif pour la production de matières premières renouvelables non alimentaires, telles que la biomasse ligneuse, et des plans visant à réduire le coût de production des fibres de carbone renouvelables de biomasse à moins de 5 $/lb d'ici 2020.
En mars 2017, le ministère américain de l'Énergie a de nouveau annoncé un financement de 3,74 millions de dollars pour un « projet de recherche et développement sur les composants en fibre de carbone à faible coût » dirigé par le Western American Institute (WRI), qui se concentre sur le développement de composants en fibre de carbone à faible coût basés sur des ressources telles que le charbon et la biomasse.
En juillet 2017, le Département de l'énergie des États-Unis a annoncé le financement de 19,4 millions de dollars pour soutenir la recherche et le développement de véhicules avancés à haut rendement énergétique, dont 6,7 millions sont utilisés pour financer la préparation de fibres de carbone à faible coût à l'aide de matériaux informatiques, y compris le développement de méthodes d'évaluation multi-échelles pour la technologie informatique intégrée pour évaluer l'enthousiasme des nouveaux précurseurs de fibres de carbone, la théorie fonctionnelle de la densité assistée par dynamique moléculaire avancée, l'apprentissage automatique et d'autres outils sont utilisés pour développer des outils informatiques de pointe pour améliorer l'efficacité de la sélection des matières premières en fibres de carbone à faible coût.
2.3 Europe
L'industrie européenne de la fibre de carbone s'est développée au Japon et aux États-Unis dans les années 70 ou 80 du 20e siècle, mais en raison de la technologie et du capital, de nombreuses entreprises productrices de fibres de carbone uniques n'ont pas adhéré à la période de forte croissance de la demande de fibres de carbone après 2000 ans et ont disparu. La société allemande SGL est la seule entreprise en Europe à détenir une part importante du marché mondial de la fibre de carbone.
En novembre 2011, l'Union européenne a lancé le projet Eucarbon, qui vise à moderniser les capacités de production européennes en fibre de carbone et matériaux pré-imprégnés pour l'aérospatiale. Ce projet, d'une durée de quatre ans et d'un investissement total de 3,2 millions d'euros, a permis d'installer en mai 2017 la première ligne de production européenne de fibre de carbone spécialement conçue pour des applications spatiales telles que les satellites, permettant ainsi à l'Europe de s'affranchir de sa dépendance aux importations et de garantir la sécurité de son approvisionnement en matériaux.
Le septième programme-cadre de l'UE prévoit de soutenir le projet « Fibre de carbone fonctionnelle pour la préparation d'un nouveau système précurseur aux performances rentables et gérables » (FIBRALSPEC) (2014-2017) à hauteur de 6,08 millions d'euros. Ce projet de quatre ans, mené par l'Université polytechnique nationale d'Athènes (Grèce), avec la participation de multinationales telles que l'Italie, le Royaume-Uni et l'Ukraine, vise à innover et à améliorer le procédé de préparation continue de fibres de carbone à base de polyacrylonitrile afin de parvenir à une production expérimentale de fibres de carbone à base de polyacrylonitrile. Le projet a mené à bien le développement et l'application de fibres de carbone et de technologies composites améliorées à partir de ressources polymères organiques renouvelables (telles que des supercondensateurs, des abris d'urgence rapides, ainsi que des prototypes de machines de revêtement rotatives électromécaniques et le développement de lignes de production de nanofibres, etc.).
Un nombre croissant de secteurs industriels, tels que l'automobile, l'éolien et la construction navale, ont besoin de composites légers et performants, qui représentent un marché potentiel considérable pour l'industrie de la fibre de carbone. L'UE investit 5,968 millions d'euros pour lancer le projet Carboprec (2014-2017), dont l'objectif stratégique est de développer des précurseurs à faible coût à partir de matériaux renouvelables largement présents en Europe et d'améliorer la production de fibres de carbone hautes performances grâce aux nanotubes de carbone.
Le programme de recherche Cleansky II de l'Union européenne a financé le projet « R&D sur les pneus composites » (2017), dirigé par l'Institut Fraunhofer pour la fiabilité de la production et des systèmes (LBF) en Allemagne. Ce projet vise à développer des composants de roue avant pour l'Airbus A320 en composite renforcé de fibres de carbone. L'objectif est de réduire le poids de 40 % par rapport aux matériaux métalliques conventionnels. Le projet est financé à hauteur d'environ 200 000 euros.
2.4 Corée
La recherche et le développement (R&D) et l'industrialisation de la fibre de carbone en Corée du Sud ont démarré tardivement. La R&D a débuté en 2006 et est entrée officiellement dans la phase pratique en 2013, inversant la situation de la fibre de carbone coréenne, entièrement dépendante des importations. Le groupe local sud-coréen Xiaoxing et Taiguang Business, pionniers du secteur et activement engagés dans l'aménagement de l'industrie de la fibre de carbone, connaissent un fort développement. De plus, la base de production de fibre de carbone établie par Toray Japan en Corée a également contribué au développement du marché de la fibre de carbone en Corée.
Le gouvernement coréen a choisi le groupe Xiaoxing comme lieu de rassemblement des industries innovantes de la fibre de carbone. L'objectif est de créer un pôle industriel dédié aux matériaux en fibre de carbone et de promouvoir le développement d'un écosystème économique créatif dans toute la région du Nord. L'objectif ultime est de former une chaîne de production unique (matériaux en fibre de carbone, pièces détachées, produits finis). La création d'un pôle d'incubation pour la fibre de carbone permettra de rivaliser avec la Silicon Valley aux États-Unis, de conquérir de nouveaux marchés et de créer de la valeur ajoutée. L'objectif est d'atteindre 10 milliards de dollars d'exportations de produits liés à la fibre de carbone (soit environ 55,2 milliards de yuans) d'ici 2020.
3. analyse de la recherche mondiale sur la fibre de carbone et des résultats de la recherche
Cette sous-section recense les articles SCI liés à la recherche sur la fibre de carbone et les résultats des brevets DII depuis 2010, afin d'analyser simultanément la recherche universitaire et la recherche et le développement industriels de la technologie mondiale de la fibre de carbone, et de comprendre pleinement les progrès de la recherche et du développement de la fibre de carbone à l'échelle internationale.
Données dérivées de la base de données Scie et de la base de données Dewent dans la base de données Web of Science publiée par Clarivate Analytics ; période de récupération : 2010-2017 ; date de récupération : 1er février 2018.
Stratégie de récupération de documents SCI : Ts=((fibre de carbone* ou fibre de carbone* ou ("Fibre de carbone*" et non "fibre de verre de carbone") ou "fibre de carbone*" ou "filament de carbone*" ou ((polyacrylonitrile ou brai) et "précurseur*" et fibre*) ou ("fibre de graphite*")) et non ("carbone de bambou"))。
Stratégie de recherche de brevets Dewent : Ti=((fibre de carbone* ou fibre de carbone* ou ("Fibre de carbone*" et non "Fibre de verre de carbone") ou "fibre de carbone*" ou "filament de carbone*" ou ((polyacrylonitrile ou brai) et "précurseur*" et fibre*) ou ("fibre de graphite*")) et non ("carbone de bambou")) ouTS=((fibre de carbone* ou fibre de carbone* ou ("Fibre de carbone*" et non "Fibre de verre de carbone") ou "fibre de carbone*" ou "filament de carbone*" ou ((polyacrylonitrile ou brai) et "précurseur*" et fibre*) ou ("fibre de graphite*")) et non ("carbone de bambou")) etIP=(D01F-009/12 ou D01F-009/127 ou D01F-009/133 ou D01F-009/14 ou D01F-009/145ou D01F-009/15 ou D01F-009/155 ou D01F-009/16 ou D01F-009/17 ou D01F-009/18 ou D01F-009/20 ou D01F-009/21 ou D01F-009/22 ou D01F-009/24 ou D01F-009/26 ou D01F-09/28 ou D01F-009/30 ou D01F-009/32 ou C08K-007/02 ou C08J-005/04 ou C04B-035/83 ou D06M-014/36 ou D06M-101/40 ou D21H-013/50 ou H01H-001/027 ouH01R-039/24)。
3.1 tendance
Depuis 2010, 16 553 articles pertinents ont été publiés dans le monde entier et 26 390 brevets d’invention ont été déposés, tous affichant une tendance à la hausse constante d’année en année (figure 1).
3.2 Répartition par pays ou par région
Français Les 10 institutions ayant la plus grande production d'articles de recherche mondiaux sur la fibre de carbone sont chinoises, dont les 5 premières sont : l'Académie chinoise des sciences, l'Institut de technologie de Harbin, l'Université de technologie du Nord-Ouest, l'Université de Donghua, l'Institut d'aéronautique et d'astronautique de Pékin. Parmi les institutions étrangères, l'Institut indien de technologie, l'Université de Tokyo, l'Université de Bristol, l'Université Monash, l'Université de Manchester et l'Institut de technologie de Géorgie se classent entre 10 et 20 (Fig. 3).
Nombre de demandes de brevet dans les 30 premières institutions, le Japon en a 5, et 3 d'entre elles sont dans le top 5, la société Toray est classée première, suivie de Mitsubishi Liyang (2e), Teijin (4e), East State (10e), Japan Toyo Textile Company (24e), la Chine compte 21 institutions, le groupe Sinopec a le plus grand nombre de brevets, se classant troisième, deuxièmement, l'Institut de technologie de Harbin, la société de câbles Henan Ke Letter, l'Université de Donghua, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry, etc., l'Académie chinoise des sciences Shanxi Coal demande l'invention du brevet 66, classée 27e, les institutions sud-coréennes en ont 2, dont Xiaoxing Co., Ltd. classée première, classée 8e.
Institutions de production, la production du papier provient principalement des universités et des institutions de recherche scientifique, la production de brevets provient principalement de l'entreprise, on peut voir que la fabrication de fibres de carbone est une industrie de haute technologie, en tant que principal organisme de développement de l'industrie de la R & D sur la fibre de carbone, l'entreprise attache une grande importance à la protection de la technologie de R & D sur la fibre de carbone, en particulier les 2 grandes entreprises au Japon, le nombre de brevets est bien en avance.
3.4 Points névralgiques de la recherche
Les articles de recherche sur la fibre de carbone couvrent la plupart des sujets de recherche : composites à base de fibres de carbone (y compris les composites renforcés de fibres de carbone, les composites à matrice polymère, etc.), recherche sur les propriétés mécaniques, analyse par éléments finis, nanotubes de carbone, délaminage, renforcement, fatigue, microstructure, filage électrostatique, traitement de surface, adsorption, etc. Les articles traitant de ces mots-clés représentent 38,8 % du nombre total d'articles.
Les brevets d'invention relatifs à la fibre de carbone couvrent la plupart des domaines liés à la préparation de la fibre de carbone, aux équipements de production et aux matériaux composites. Parmi ces entreprises, Toray, Mitsubishi Liyang et Teijin, notamment dans le domaine des « composés polymères renforcés de fibres de carbone », occupent une place importante dans le domaine des « composés polymères renforcés de fibres de carbone ». Toray et Mitsubishi Liyang, notamment dans les technologies de production de fibres de carbone à base de polyacrylonitrile et d'équipements de production, de production de fibres de carbone à base de nitrile insaturé, comme le polyacrylonitrile, le poly(cyanure de vinylidène) et d'éthylène, occupent une place importante dans le domaine des brevets. Enfin, Teijin, dans le domaine des « composites à base de fibres de carbone et de composés oxygénés », occupe une place encore plus importante.
Le groupe China Sinopec, l'Université chimique de Pékin, l'Académie chinoise des sciences de Ningbo Materials dans la « production de polyacrylonitrile de fibres de carbone et d'équipements de production » ont une grande proportion de la disposition des brevets ; en outre, l'Université de génie chimique de Pékin, l'Institut de chimie du charbon du Shanxi de l'Académie chinoise des sciences et l'Académie chinoise des sciences de Ningbo Materials clé Layout « Utilisation de fibres d'éléments inorganiques comme ingrédients de la préparation de composés polymères » technologie a Harbin Institute of Technology se concentre sur la disposition du « traitement des fibres de carbone », « des composites de fibres de carbone et de composés contenant de l'oxygène » et d'autres technologies.
Français En outre, il ressort des statistiques annuelles de distribution statistique des brevets mondiaux qu'un certain nombre de nouveaux points chauds ont commencé à émerger au cours des trois dernières années, tels que : « Compositions de polyamides obtenues à partir de la formation d'une réaction de liaison carboxylate dans la chaîne principale », « compositions de polyester à partir de la formation de liaisons ester d'acide carboxylique 1 dans la chaîne principale », « matériau composite à base de matériaux synthétiques », « composés oxygénés contenant de l'acide carboxylique cyclique comme ingrédients de composites en fibres de carbone », « sous forme tridimensionnelle de solidification ou de traitement de matières textiles », « éther insaturé, acétal, semi-acétal, cétone ou aldéhyde par la seule réaction de liaison insaturée carbone-carbone pour la production de composés polymères », « tuyau ou câble en matériau adiabatique », « Composites en fibres de carbone avec des esters de phosphate comme ingrédients » et ainsi de suite.
Ces dernières années, la recherche et le développement dans le secteur de la fibre de carbone ont connu un essor considérable, la plupart des avancées étant réalisées aux États-Unis et au Japon. Les technologies de pointe les plus récentes se concentrent non seulement sur la production et la préparation de la fibre de carbone, mais aussi sur des applications dans une gamme plus large de matériaux automobiles, tels que les matériaux légers, l'impression 3D et la production d'énergie. De plus, le recyclage et la valorisation des matériaux en fibre de carbone, la préparation de fibres de carbone à base de lignine de bois et d'autres réalisations affichent des performances exceptionnelles. Les résultats représentatifs sont décrits ci-dessous :
1) L'Institut de technologie de Géorgie des États-Unis innove dans les technologies de fibre de carbone de troisième génération
En juillet 2015, grâce au financement de la DARPA, le Georgia Institute of Technology, avec sa technique innovante de filage de gel de fibre de carbone à base de pan, a considérablement augmenté son module, surpassant la fibre de carbone Hershey IM7, qui est désormais largement utilisée dans les avions militaires, marquant le deuxième pays au monde à maîtriser la troisième génération de technologie de fibre de carbone après le Japon.
La résistance à la traction de la fibre de carbone filée par gel fabriquée par Kumarz atteint 5,5 à 5,8 Gpa, et son module de traction se situe entre 354 et 375 Gpa. « Cette fibre continue présente la résistance et le module les plus élevés en termes de performance globale. Dans le faisceau de filaments courts, la résistance à la traction atteint 12,1 Gpa, ce qui en fait la fibre de carbone polyacrylonitrile la plus performante. »
2) Technologie de chauffage par ondes électromagnétiques
En 2014, Nedo a développé une technologie de chauffage par ondes électromagnétiques. La carbonisation par ondes électromagnétiques consiste à utiliser la technologie de chauffage par ondes électromagnétiques pour carboniser la fibre à pression atmosphérique. Les performances de la fibre de carbone obtenue sont sensiblement les mêmes que celles de la fibre de carbone produite par chauffage à haute température : le module d'élasticité peut atteindre plus de 240 GPA et l'allongement à la rupture est supérieur à 1,5 %, une première mondiale.
Le matériau fibreux est carbonisé par ondes électromagnétiques, ce qui rend inutile le four de carbonisation utilisé pour le chauffage à haute température. Ce procédé réduit non seulement le temps de carbonisation, mais aussi la consommation d'énergie et les émissions de CO2.
3) contrôle précis du processus de carbonisation
En mars 2014, Toray a annoncé le développement réussi de la fibre de carbone t1100g. Toray utilise la technologie traditionnelle de filage en solution pour contrôler finement le processus de carbonisation, améliorer la microstructure de la fibre de carbone à l'échelle nanométrique, contrôler l'orientation et la taille des microcristallins du graphite, ainsi que les défauts, etc., dans la fibre après carbonisation, ce qui permet d'améliorer considérablement la résistance et le module d'élasticité. La résistance à la traction de la fibre t1100g est de 6,6 GPa, soit 12 % de plus que celle de la fibre T800, et son module d'élasticité est de 324 GPa, en hausse de 10 %, ce qui en fait l'une des fibres les plus industrialisées.
4) Technologie de traitement de surface
Teijin East State a développé avec succès une technologie de traitement de surface plasma permettant de contrôler l'apparence des fibres de carbone en quelques secondes seulement. Cette nouvelle technologie simplifie considérablement l'ensemble du processus de production et réduit la consommation d'énergie de 50 % par rapport aux technologies de traitement de surface existantes pour les solutions aqueuses électrolytiques. De plus, après traitement plasma, l'adhérence des fibres à la matrice de résine a également été améliorée.
5) étude sur le taux de rétention de la résistance à la traction des fibres de carbone dans un environnement graphite à haute température
Ningbo Materials a mené avec succès une étude détaillée sur l'analyse des processus, la recherche de structure et l'optimisation des performances de la fibre de carbone domestique à haute résistance et à mode élevé, en particulier les travaux de recherche sur le taux de rétention de la résistance à la traction de la fibre de carbone dans un environnement de graphite à haute température, et la récente préparation réussie de fibre de carbone à haute résistance et à module plus élevé avec une résistance à la traction de 5,24 GPa et un volume de module de traction de 593 GPa. Elle continue d'avoir l'avantage de la résistance à la traction par rapport à la fibre de carbone hautement moulée à haute résistance Toray m60j du Japon (résistance à la traction de 3,92 GPa, module de traction de 588 GPa).
6) Graphite micro-ondes
Yongda Advanced Materials a développé avec succès une technologie de graphite ultra-haute température brevetée aux États-Unis, permettant la production de fibres de carbone d'ordre moyen et supérieur. Elle a ainsi surmonté trois obstacles au développement de fibres de carbone d'ordre supérieur : le coût élevé des équipements de graphite et leur contrôle international, les difficultés de la technologie chimique de la soie grège, ainsi que le faible rendement et le coût élevé de la production. À ce jour, Yongda a développé trois types de fibres de carbone, qui ont toutes permis d'améliorer considérablement la résistance et le module des fibres de carbone d'origine, relativement peu performantes.
7) Nouveau procédé de filage par fusion de fil brut en fibre de carbone à base de pan par Fraunhofer, Allemagne
L'Institut Fraunhofer de recherche sur les polymères appliqués (IAP) a récemment annoncé qu'il présenterait la dernière technologie Comcarbon au salon aéronautique de Berlin (ILA) les 25 et 29 avril 2018. Cette technologie réduit considérablement le coût de production de la fibre de carbone produite en série.
Fig. 4 Filage par fusion de fil brut.
Il est bien connu que dans les procédés traditionnels, la moitié du coût de production de la fibre de carbone à base de pan est absorbée par la production de fil brut. Compte tenu de l'impossibilité de fusion du fil brut, celui-ci doit être produit par un procédé coûteux de filage en solution (Solution Spinning). « À cette fin, nous avons développé un nouveau procédé de production de soie grège à base de pan, qui permet de réduire le coût de production du fil brut de 60 %. Il s'agit d'un procédé de filage par fusion économique et réalisable, utilisant un copolymère à base de pan fondu spécialement développé », a expliqué le Dr Johannes Ganster, responsable des polymères biologiques à l'Institut Fraunhofer IAP.
8) Technologie d'oxydation au plasma
4M Carbon Fiber a annoncé que l'utilisation de la technologie d'oxydation plasma pour la fabrication et la commercialisation de fibres de carbone de haute qualité et à bas prix constituerait une priorité stratégique, et non une simple licence. 4M affirme que la technologie d'oxydation plasma est trois fois plus rapide que la technologie d'oxydation conventionnelle, tout en consommant moins d'un tiers d'énergie par rapport à la technologie traditionnelle. Ces déclarations ont été validées par de nombreux producteurs internationaux de fibres de carbone, qui consultent plusieurs des plus grands fabricants et constructeurs automobiles mondiaux pour participer à la production de fibres de carbone à bas prix.
9) Nanofibre de cellulose
L'Université de Kyoto, au Japon, travaille en collaboration avec plusieurs grands fournisseurs de composants, tels que l'entreprise d'installation électrique (le plus important fournisseur de Toyota) et Daikyonishikawa Corp., au développement de matériaux plastiques combinant des nanofibres de cellulose. Ce matériau est obtenu en cassant la pâte de bois en quelques microns (1 pour mille mm). Son poids ne représente qu'un cinquième de celui de l'acier, mais sa résistance est cinq fois supérieure.
10) Corps avant en fibre de carbone à base de polyoléfine et de lignine
Le laboratoire national d'Oak Ridge aux États-Unis travaille sur la recherche sur les fibres de carbone à faible coût depuis 2007 et a développé des corps avant en fibre de carbone pour les matières premières à base de polyoléfine et de lignine, ainsi que des technologies avancées de pré-oxydation au plasma et de carbonisation par micro-ondes.
11) Le nouveau polymère (polymère précurseur) a été développé en supprimant le traitement réfractaire
Dans le cadre d'une méthode de fabrication pilotée par l'Université de Tokyo, un nouveau polymère (polymère précurseur) a été développé pour supprimer le traitement réfractaire. L'avantage principal est qu'après filage du polymère en soie, celui-ci n'est pas soumis au traitement réfractaire initial, mais à son oxydation dans le solvant. Le dispositif de chauffage par micro-ondes est ensuite chauffé à plus de 1 000 °C pour la carbonisation. Le temps de chauffage ne dure que 2 à 3 minutes. Après la carbonisation, un traitement de surface au plasma est également utilisé pour la fabrication de fibres de carbone. Ce traitement prend moins de 2 minutes, réduisant ainsi le temps de frittage initial de 30 à 60 minutes à environ 5 minutes. Ce nouveau procédé de fabrication améliore l'adhérence entre la fibre de carbone et la résine thermoplastique CFRP. Le module d'élasticité en traction de la fibre de carbone obtenue grâce à ce nouveau procédé est de 240 GPa, sa résistance à la traction de 3,5 GPa et son allongement de 1,5 %. Ces valeurs sont du même niveau que la fibre de carbone de qualité universelle Toray T300 utilisée pour les articles de sport, etc.
12) recyclage et utilisation des matériaux en fibre de carbone à l'aide du procédé à lit fluidisé
Mengran Meng, premier auteur de l'étude, a déclaré : « La récupération de la fibre de carbone réduit l'impact environnemental par rapport à la production de fibre de carbone brute, mais les technologies de recyclage potentielles et la faisabilité économique de son utilisation sont peu connues. Le recyclage se déroule en deux étapes : les fibres doivent d'abord être récupérées des composites en fibre de carbone et décomposées thermiquement par broyage mécanique des matériaux ou par pyrolyse ou lit fluidisé. Ces méthodes éliminent la partie plastique du matériau composite, laissant la fibre de carbone, qui peut ensuite être transformée en tapis de fibres emmêlées grâce à la technologie de fabrication de papier humide, ou réorganisée en fibres directionnelles. »
Les chercheurs ont calculé que la fibre de carbone pouvait être récupérée à partir de déchets composites en utilisant un procédé en lit fluidisé, ce qui ne nécessiterait que 5 dollars/kg et moins de 10 % de l'énergie nécessaire à la fabrication de la fibre de carbone primaire. Les fibres de carbone recyclées produites par ce procédé ne réduisent pratiquement pas leur module et leur résistance à la traction est réduite de 18 à 50 % par rapport aux fibres de carbone primaires, ce qui les rend adaptées aux applications exigeant une rigidité élevée plutôt qu'une résistance mécanique élevée. « Les fibres de carbone recyclées pourraient convenir aux applications non structurelles nécessitant une certaine légèreté, comme l'automobile, la construction, l'éolien et le sport », a déclaré Meng.
13) Nouvelle technologie de recyclage de la fibre de carbone développée aux États-Unis
En juin 2016, des chercheurs du Georgia Institute of Technology aux États-Unis ont trempé des fibres de carbone dans un solvant contenant de l'alcool pour dissoudre la résine époxy, les fibres séparées et les résines époxy peuvent être réutilisées, la réalisation réussie de la récupération des fibres de carbone.
En juillet 2017, l'Université d'État de Washington a également développé une technologie de récupération de fibre de carbone, utilisant un acide faible comme catalyseur, l'utilisation d'éthanol liquide à des températures relativement basses pour décomposer les matériaux thermodurcissables, la fibre de carbone et la résine décomposées sont conservées séparément et peuvent être mises en reproduction.
14) Développement de la technologie d'impression 3D d'encre en fibre de carbone dans le laboratoire LLNL, États-Unis
En mars 2017, le Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL), aux États-Unis, a développé les premiers composites en fibre de carbone haute performance imprimés en 3D, de qualité aéronautique. L'entreprise a utilisé une méthode d'impression 3D par transmission directe d'encre (DIW) pour créer des structures tridimensionnelles complexes, améliorant considérablement la vitesse de traitement pour une utilisation dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale, de la défense, des compétitions motocyclistes et du surf.
15) Les États-Unis, la Corée et la Chine coopèrent au développement de la fibre de carbone pour la production d'électricité
En août 2017, le campus de Dallas de l'Université du Texas, l'Université Hanyang en Corée, l'Université Nankai en Chine et d'autres institutions ont collaboré au développement d'un fil de fibre de carbone destiné à la production d'électricité. Le fil est d'abord trempé dans une solution électrolytique, telle que de la saumure, ce qui permet aux ions de l'électrolyte de se fixer à la surface des nanotubes de carbone, lesquels peuvent être convertis en énergie électrique lorsque le fil est tendu ou étiré. Ce matériau peut être utilisé partout où l'énergie cinétique est fiable et convient à l'alimentation des capteurs IoT.
16) De nouveaux progrès dans la recherche sur la fibre de carbone à base de lignine de bois obtenus respectivement par les Chinois et les Américains
En mars 2017, l'équipe spécialisée en fibres de l'Institut de technologie et d'ingénierie des matériaux de Ningbo a préparé un copolymère lignine-acrylonitrile présentant une excellente filabilité et une bonne stabilité thermique grâce à une technologie de modification en deux étapes par estérification et copolymérisation radicalaire. Des filaments continus de haute qualité ont été obtenus grâce à ce copolymère et à ce procédé de filage humide, et la fibre de carbone compacte a été obtenue après stabilisation thermique et carbonisation.
En août 2017, l'équipe de recherche de Birgitte Ahring, de l'Université de Washington aux États-Unis, a mélangé de la lignine et du polyacrylonitrile dans différentes proportions, puis a utilisé la technologie de filage par fusion pour convertir ces polymères mixtes en fibres de carbone. L'étude a révélé que l'ajout de lignine à 20 à 30 % n'affectait pas la résistance de la fibre de carbone et qu'elle devrait être utilisée dans la production de matériaux en fibre de carbone à moindre coût pour les pièces automobiles ou aéronautiques.
Fin 2017, le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a publié des résultats de recherche sur la fabrication d'acrylonitrile à partir de déchets végétaux, comme la paille de maïs et de blé. Les matières végétales sont d'abord décomposées en sucres, puis converties en acides, puis combinées à des catalyseurs peu coûteux pour obtenir les produits cibles.
17) Le Japon développe le premier châssis de voiture en composite thermoplastique renforcé de fibres de carbone
En octobre 2017, l'Agence japonaise de recherche et développement intégrée pour les nouvelles technologies de l'industrie énergétique et le Centre national de recherche sur les composites de l'Université de Nagoya ont développé avec succès le premier châssis automobile en composite thermoplastique renforcé de fibres de carbone au monde. Ils ont utilisé un procédé automatique de moulage direct en ligne de composites thermoplastiques renforcés de fibres longues, un mélange continu de fibres de carbone et de particules de résine thermoplastique, la fabrication de composites renforcés de fibres, puis, par assemblage par chauffage et fusion, la production de châssis automobiles en composite thermoplastique CFRP.
5. suggestions sur la recherche et le développement de la technologie de la fibre de carbone en Chine
5.1 Disposition tournée vers l'avenir, axée sur les objectifs, axée sur la percée de la troisième génération de technologie de fibre de carbone
La technologie de fibre de carbone de deuxième génération de la Chine n'est pas encore une percée complète, notre pays devrait essayer d'être une disposition tournée vers l'avenir qui rassemblera nos institutions de recherche compétentes, axées sur la capture des technologies clés, l'accent sur la recherche et le développement de la technologie de préparation de fibre de carbone haute performance de troisième génération (c'est-à-dire applicable à la technologie de fibre de carbone à haute résistance et à haut module de l'aérospatiale), et la technologie des matériaux composites en fibre de carbone développée, y compris pour l'automobile, la construction et la réparation et d'autres préparations de fibre de carbone légères et à faible coût, la technologie de fabrication additive de matériaux composites en fibre de carbone, la technologie de recyclage et les technologies de prototypage rapide.
5.2 Coordonner l'organisation, renforcer le soutien, mettre en place des projets techniques majeurs pour soutenir en permanence la recherche collaborative
Actuellement, de nombreuses institutions de recherche sur la fibre de carbone sont actives en Chine, mais leurs compétences sont dispersées et il n'existe pas de mécanisme unifié d'organisation de la R&D ni de soutien financier solide pour une coordination efficace. L'expérience des pays avancés montre que l'organisation et la mise en place de grands projets jouent un rôle important dans le développement de ce domaine technique. Nous devons nous concentrer sur l'avantage de la R&D chinoise, afin de lancer des projets majeurs compte tenu des avancées technologiques majeures réalisées par la Chine dans le domaine de la fibre de carbone, de renforcer l'innovation technologique collaborative et de promouvoir constamment le niveau technologique de la recherche sur la fibre de carbone en Chine et de la rendre compétitive sur le marché international des fibres de carbone et des composites.
5.3 Améliorer le mécanisme d'évaluation de l'orientation des effets d'application des réalisations techniques
D'un point de vue économétrique, les articles du SCI montrent que la fibre de carbone chinoise est un matériau à haute résistance et performant utilisé dans divers domaines de recherche. Cependant, les technologies de production et de préparation de la fibre de carbone, notamment la réduction des coûts et l'amélioration de l'efficacité de la production, nécessitent moins de recherche. Le processus de production de la fibre de carbone est long, les points clés technologiques, les barrières de production importantes et l'intégration multidisciplinaire et multi-technologies. Il est nécessaire de surmonter les obstacles techniques et de promouvoir efficacement la recherche et le développement de technologies de préparation de base « à faible coût et hautes performances ». D'une part, il est nécessaire de renforcer les investissements dans la recherche ; d'autre part, il est nécessaire de réduire le champ de l'évaluation des performances de la recherche scientifique, de renforcer l'orientation de l'évaluation des effets d'application des réalisations techniques et de passer d'une évaluation « quantitative », axée sur la publication des articles, à une évaluation « qualitative » de la valeur des résultats.
5.4 Renforcer la formation de talents en technologies de pointe
L'attribut de haute technologie de la technologie de la fibre de carbone détermine l'importance des talents spécialisés, le fait qu'ils disposent ou non d'un personnel technique de pointe détermine directement le niveau de R&D d'une institution.
Compte tenu des liens étroits entre la R&D et la technologie de la fibre de carbone, nous devons accorder une attention particulière à la formation du personnel spécialisé dans les composés afin d'assurer la coordination et le développement de tous les maillons. De plus, l'histoire du développement de la recherche sur la fibre de carbone en Chine montre que la circulation des experts technologiques est souvent un facteur clé influençant le niveau de R&D d'un institut de recherche. Maintenir la cohésion des experts et des équipes de R&D dans les processus de production, les composites et les principaux produits est essentiel pour assurer une mise à niveau technologique continue.
Nous devons continuer à renforcer la formation et l'utilisation de personnel spécialisé de haute technologie dans ce domaine, améliorer la politique d'évaluation et de traitement des talents en R&D technologique, renforcer la culture des jeunes talents, soutenir activement la coopération et les échanges avec les institutions de R&D avancées étrangères et introduire vigoureusement les talents avancés étrangers, etc. Cela jouera un grand rôle dans la promotion du développement de la recherche sur la fibre de carbone en Chine.
Cité de-
Analyse du développement de la technologie mondiale de la fibre de carbone et de son impact sur la Chine. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Recherche et développement scientifiques et technologiques mondiaux.2018
Date de publication : 4 décembre 2018