Fibres de carbone durables de la prochaine génération : polyvalentes, performantes et économiques
La catalyse rend les fibres de carbone biosourcées compétitives
Qu'il s'agisse de réservoirs d'hydrogène, de batteries, de piles à combustible ou de blindage d'appareils électroniques sensibles, les fibres de carbone sont utilisées dans un large éventail d'applications avancées. Dans le parc scientifique de Potsdam, l'Institut Fraunhofer de recherche appliquée sur les polymères (IAP), en collaboration avec l'université technologique de Brandebourg Cottbus-Senftenberg, met au point de nouvelles fibres de carbone à base de cellulose. Ces fibres combinent diversité structurelle, performances électriques, thermiques et mécaniques élevées et durabilité. Le projet fait partie de la Carbon Lab Factory Lausitz et est financé par le ministère fédéral allemand de l'économie et de l'énergie. Il est soutenu de manière intensive par la Wirtschaftsregion Lausitz GmbH.
Plus que de la construction légère : des fibres de carbone pour d'autres applications de haute technologie
Les fibres de carbone traditionnelles, telles que celles utilisées dans la construction légère, sont généralement fabriquées à partir d'un polymère à base de pétrole, le polyacrylonitrile (PAN). Leur production est complexe, gourmande en énergie et en ressources, et génère de grandes quantités de sous-produits toxiques. Les fibres de carbone à base de brai, un autre type de fibres dérivées du pétrole qui présentent d'excellentes propriétés électriques et thermiques, sont très exigeantes sur le plan technique et coûteuses à produire.
Le Fraunhofer IAP s'attaque à ces défis avec une nouvelle génération de fibres de carbone à haute performance, biosourcées et durables. Elles combinent la variabilité structurelle avec des propriétés personnalisables et un profil environnemental et économique attrayant. Leurs applications vont bien au-delà de la construction légère pour l'aérospatiale, la défense, l'énergie éolienne ou la médecine : en tant que composants de batteries et de piles à combustible, elles peuvent servir de tissus conducteurs électriques et thermiques, chimiquement stables. Ils conviennent également parfaitement au blindage des composants électroniques sensibles.
Grande variabilité grâce aux procédés de filage et aux additifs
L'approche innovante du Fraunhofer IAP utilise la cellulose comme matière première renouvelable pour les précurseurs - le matériau de départ des fibres de carbone. Les fibres précurseurs peuvent être filées en filaments continus à l'aide de technologies de filage industrielles établies, telles que les procédés viscose ou Lyocell, ainsi que d'autres méthodes de mise en forme. Des additifs tels que la lignine, qui, comme la cellulose, est dérivée du bois, peuvent être incorporés directement dans la solution de filage, ce qui augmente considérablement le rendement en carbone lors de la conversion ultérieure en fibres de carbone.
L'un des principaux avantages de la cellulose est que la structure des fibres précurseurs - et donc des fibres de carbone qui en résultent - peut être contrôlée avec précision grâce au processus et aux paramètres de filage sélectionnés. Il en résulte différents degrés d'orientation et de cristallinité, ainsi que des sections transversales de fibres - par exemple, rondes, ovales ou lobulées. Cette dernière offre une surface spécifique particulièrement élevée et peut donc être utilisée dans des structures conductrices et poreuses pour les électrodes perméables des batteries à flux redox ou les couches de diffusion des gaz dans les piles à combustible.
La catalyse rend les fibres de carbone biosourcées compétitives
Les fibres de cellulose filées sans fin passent ensuite dans un bain aqueux contenant des additifs fonctionnels ou des catalyseurs. Cette étape active le matériau en vue de la conversion thermique ultérieure en fibres de carbone. La fibre de cellulose présente ici un avantage particulier : elle se comporte comme une éponge et absorbe efficacement les additifs contenus dans le bain. Le système de catalyseurs et d'additifs mis au point par le Fraunhofer IAP permet d'abaisser la température de carbonisation de plus de 1 000 °C, d'accélérer le processus et d'augmenter le rendement de 15 à 45 % en poids.
En optimisant spécifiquement les paramètres du processus - tels que la température, le temps de séjour ou l'étirement mécanique - pendant la carbonisation, il est possible d'obtenir des fibres d'un diamètre bien inférieur à quatre micromètres. Ceci est particulièrement important pour les piles à combustible. À titre de comparaison, les fibres commerciales mesurent généralement environ sept micromètres de diamètre.
Haute performance personnalisée - mécanique, électrique, thermique
La combinaison des technologies de filage, d'activation et de carbonisation permet de développer des types de fibres personnalisés pour une large gamme d'applications. Jens Erdmann, expert en fibres de carbone biosourcées au Fraunhofer IAP, insiste sur ce point : "Nos fibres de carbone allient hautes performances techniques et durabilité : leurs propriétés mécaniques sont comparables à celles des fibres de carbone PAN à haut module dérivées du pétrole - en d'autres termes, à celles des fibres de carbone à haute performance. Elles présentent également des propriétés électriques et thermiques similaires à celles des fibres à base de brai."
Carbon Lab Factory Lausitz : un pont vers la mise à l'échelle industrielle
Les essais pilotes menés au Fraunhofer IAP démontrent le grand potentiel de cette technologie, qui doit maintenant être mise à l'échelle dans le cadre de l'initiative "Carbon Lab Factory Lausitz". La nouvelle infrastructure couvrira l'ensemble de la chaîne de valeur - de la matière première aux composants techniques en passant par la fibre de carbone - en Allemagne. L'initiative a été lancée conjointement avec l'université technique de Chemnitz et l'institut de conception légère et de gestion de la valeur ajoutée de l'université technique de Cottbus-Senftenberg ; il s'agit d'un projet interfédéral entre la Saxe et le Brandebourg. Il soutient le développement d'une infrastructure de recherche unique au monde dans le domaine des fibres de carbone et, partant, la transformation structurelle de la région de Lausitz.
Durabilité et haute performance : une demande croissante
"Nous voyons clairement que l'intérêt pour les matériaux durables ne cesse de croître", déclare M. Erdmann. "Mais les avantages écologiques ne suffisent pas à eux seuls pour s'imposer sur le marché : les performances économiques sont également cruciales. C'est exactement là que nous intervenons : nous avons réussi à combiner la responsabilité écologique avec la performance technique et la rentabilité. La possibilité de personnaliser et d'adapter avec souplesse les propriétés de nos fibres ouvre de nouveaux champs d'application et des avantages concurrentiels évidents - un pas décisif vers la viabilité économique."
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