Qui a découvert la fibre de carbone ? Une histoire vérifiée

La fibre de carbone n'a pas été inventée d'un seul coup. On attribue généralement à Joseph Swan la fabrication d'un des premiers filaments de carbone vers 1860, et Thomas Edison a commercialisé des filaments de cellulose carbonisée en 1879. Roger Bacon a présenté les premières fibres de carbone haute performance en 1958. Akio Shindo a ensuite mis au point, en 1961, le procédé à base de PAN qui est à la base de la plupart des fibres de carbone produites aujourd'hui.

Cette distinction est importante. Swan et Edison ont mis au point des filaments de carbone capables de s'illuminer à l'intérieur d'ampoules électriques. Bacon a démontré les performances mécaniques de filaments de graphite quasi parfaits. Shindo et les chercheurs qui lui ont succédé ont trouvé des moyens pratiques de transformer des précurseurs polymères en fibres de renfort solides et continues.

Qui a découvert la fibre de carbone ? La réponse en bref

Si l'on entend par “ fibre de carbone ” le tout premier filament de carbone fabriqué par l'homme, la réponse est Joseph Swan. Si l'on entend par là la première fibre de carbone haute performance, la réponse est Roger Bacon. Si ce terme désigne la fibre à base de PAN utilisée dans la plupart des polymères renforcés de fibre de carbone (CFRP) modernes, Akio Shindo et le Royal Aircraft Establishment britannique ont joué un rôle central dans son développement.

Pourquoi différentes sources citent-elles des inventeurs différents ?

Ce désaccord tient à la définition même de la fibre de carbone, et pas seulement aux données historiques.

Un filament entièrement composé de carbone destiné à une lampe est, d'un point de vue chimique, considéré comme une fibre de carbone. Il ne présente toutefois pas les performances mécaniques attendues d'un renfort structurel. Dans l'ingénierie moderne, on utilise généralement le terme “ fibre de carbone ” pour désigner des fibres continues dotées d'une résistance à la traction ou d'une rigidité élevées, capables de renforcer une matrice en résine.

Fibre de carbone et composite de fibre de carbone fini Il s'agit également de matériaux différents. La fibre de carbone sert de renfort. Le CFRP associe ces fibres à une matrice polymère, souvent de type époxy. Les fibres supportent une grande partie de la charge de traction ; la matrice les lie entre elles, répartit la charge entre les fibres et donne sa forme à la pièce. Ce système de matériaux dans son ensemble n'est pas le fruit de l'invention d'une seule personne.

Joseph Swan et Thomas Edison : l'ère du filament de carbone

Les expériences menées par Joseph Swan sur le papier carbonisé sont généralement datées d'environ 1860. Son objectif était de mettre au point un filament de lampe à incandescence capable de conduire l'électricité et de résister à la chaleur dans le vide. Le matériau utilisé était le carbone, mais il n'était pas destiné à renforcer un élément structurel.

Thomas Edison s'est penché sur ce même problème d'éclairage à la fin des années 1870. L'American Chemical Society précise qu'Edison a façonné des fils de coton ou des lamelles de bambou pour leur donner la forme souhaitée, puis les a cuits à haute température. La carbonisation éliminait les éléments non carbonés tout en préservant la forme du filament. On peut donc attribuer à Edison le mérite d’avoir mis au point la première fibre de carbone commerciale, même si son utilisation était électrique plutôt que structurelle.

Ces filaments de lampe ont constitué d'importants précurseurs. Ils ont démontré qu'il était possible de former d'abord un matériau à base de cellulose, puis de le transformer en carbone. Cette séquence « précurseur-carbone » fait toujours partie du processus de fabrication de la fibre de carbone, même si les matières premières, les contrôles, les fours, les traitements de surface et les objectifs de performance sont aujourd'hui bien plus avancés.

Roger Bacon et les premières fibres de carbone haute performance

La découverte faite par Roger Bacon en 1958 au Centre technique d’Union Carbide à Parme a marqué le début de l’ère moderne des matériaux haute performance. Alors qu’il étudiait le graphite soumis à des températures et des pressions élevées dans un arc au carbone, Bacon a mis au jour de longs whiskers de graphite dans un dépôt solide. Ceux-ci étaient fins, souples et, à poids égal, bien plus résistants et rigides que les fibres de carbone commerciales existantes à l’époque.

Selon le Société américaine de chimie, les « moustaches » de Bacon atteignaient une résistance à la traction d’environ 20 GPa et un module d’Young d’environ 700 GPa. Ces chiffres concernaient des filaments exceptionnels obtenus en laboratoire, et non une fibre pouvant être produite de manière rentable. Bacon estimait que leur fabrication coûtait à l’époque environ $10 millions par livre. Cette découverte a démontré le potentiel mécanique du graphite fibreux, mais l’industrie avait encore besoin d’un procédé industrialisable.

Ce n'est pas Bacon qui a mis au point ces fibres à partir de PAN. Il s'agit là d'une erreur historique courante. Son brevet américain n° 2 957 756 décrit du graphite filamentaire produit par arc électrique. La fibre de carbone à base de PAN est le fruit d'une autre ligne de recherche.

De la rayonne à la fibre commerciale à haut module

Les chercheurs d'Union Carbide ont également travaillé sur la rayonne, un précurseur de la cellulose régénérée. En 1959, Curry Ford et Charles Mitchell ont breveté un procédé consistant à traiter thermiquement des fibres et des tissus de rayonne à des températures pouvant atteindre 3 000 degrés Celsius. Le matériau ainsi obtenu a été utilisé dans des applications composites de pointe au début des années 1960.

La fibre à base de rayonne restait toutefois moins rigide que les whiskers de graphite de Bacon. En 1964, Bacon et Wesley Schalamon ont étiré un fil de carbone tout en le chauffant à plus de 2 800 degrés Celsius. Cet étirement a permis d’aligner plus étroitement les couches de graphite avec l’axe de la fibre et a multiplié par dix environ le module d’Young. Union Carbide a commercialisé des fibres issues de ce procédé sous le nom de Thornel.

Cet aspect de l'histoire est important car il fait le lien entre une découverte en laboratoire et un produit commercialisable. Ce n'est toutefois pas ce procédé qui allait dominer le marché mondial des fibres structurelles.

Akio Shindo et le procédé PAN utilisé aujourd'hui

En 1961, Akio Shindo, de l'Institut gouvernemental de recherche industrielle d'Osaka (Japon), a présenté une fibre de carbone à haute résistance et à module élevé, fabriquée à partir de polyacrylonitrile. L'American Chemical Society fait état d'un module supérieur à 140 GPa, soit environ trois fois celui des fibres à base de rayonne disponibles à l'époque. Les chercheurs japonais ont fait évoluer ce procédé jusqu’à la production pilote dès 1964.

Au Royaume-Uni, William Watt et ses collègues du Royal Aircraft Establishment ont mis au point, en 1964, une fibre PAN aux performances encore supérieures. Des entreprises britanniques ont acquis une licence pour exploiter cette technologie à des fins de production commerciale. Toray Industries a par la suite amélioré la qualité du précurseur PAN et a signé un accord de coopération technologique avec Union Carbide en 1970.

Le PAN s'est imposé comme la matière première dominante car il offre un excellent équilibre entre disponibilité, facilité de mise en œuvre, rendement en carbone, résistance à la traction et régularité. Selon la SAMPE, environ 92% de la production actuelle de fibres de carbone est à base de PAN. Les fibres issues de la résine de brai restent importantes dans les applications où un module de ressort ou une conductivité thermique très élevés justifient leur coût plus élevé.

Comment un précurseur de PAN se transforme en fibre de carbone

La production moderne à base de PAN suit, dans les grandes lignes, le même schéma scientifique mis au point au cours de cette période :

1. Filature : Un fabricant transforme le polymère PAN en filaments précurseurs fins, puis les étire afin d'orienter les chaînes moléculaires.
2. Stabilisation : Un chauffage contrôlé à l'air transforme le polymère en une structure en échelle thermiquement stable.
3. Carbonisation : Un traitement à haute température sous atmosphère inerte permet d'éliminer la plupart des atomes autres que le carbone.
4. Traitement facultatif à haute température : Un traitement thermique supplémentaire peut augmenter le module de Young en renforçant l'ordre structurel, ce qui s'accompagne généralement d'un compromis au niveau d'autres propriétés.
5. Traitement de surface et encollage : La surface de la fibre est préparée et revêtue afin d'améliorer la manipulation et l'adhérence avec le système de résine prévu.

L'historique explique pourquoi le choix du précurseur reste déterminant pour la pièce finie. Le PAN, la rayonne et le brai ne permettent pas d'obtenir des fibres interchangeables. Les conditions de traitement thermique influent également sur la résistance à la traction, le module d'élasticité, la conductivité thermique et le coût. Un concepteur choisit donc une qualité de fibre et un système de stratifié en fonction d'un cas de charge précis, et non pas simplement en se basant sur la mention “ fibre de carbone ”.”

À partir de quand la fibre de carbone est-elle devenue un matériau de structure ?

La fibre de carbone s'est imposée comme un matériau de renfort structurel à part entière dans les années 1960. Le soutien de l'armée de l'air américaine a contribué à faire progresser les fibres à base de rayonne destinées aux tuyères de fusées, aux boucliers thermiques, aux composants de missiles et aux structures d'aéronefs. La technologie PAN mise au point au Japon et au Royaume-Uni a rapidement permis de produire des fibres offrant de meilleures performances et un meilleur potentiel de fabrication.

Son adoption commerciale s'est généralisée dans les années 1970, à mesure que la qualité des fibres et les volumes de production s'amélioraient. L'aérospatiale est restée l'un des premiers marchés, car la réduction de la masse pouvait justifier le coût du matériau et de sa mise en œuvre. Les articles de sport et le sport automobile ont ensuite offert aux composites de carbone des applications grand public visibles. La McLaren MP4/1, lancée en 1981, est généralement considérée comme la première monocoque en composite de fibre de carbone à avoir couru en Formule 1, mais ce n'est pas la Formule 1 qui a inventé la fibre de carbone.

Ce que cette évolution signifie pour les acheteurs de fibre de carbone

“La ” fibre de carbone » désigne une famille de matériaux, et non une spécification unique. Deux stratifiés tissés noirs peuvent présenter des différences au niveau de la qualité de la fibre, de la taille des torons, de l’armure, de la résine, de l’orientation des fibres, du volume de fibres, du cycle de durcissement, de la teneur en vides et de la finition de surface. Ces variables influent sur la rigidité, le comportement aux chocs, les limites de température, la stabilité dimensionnelle, l’aspect et le prix.

Dans le cadre d'un projet d'approvisionnement, il convient de définir la pièce avant de choisir le procédé de fabrication. Parmi les informations utiles à fournir, citons le sens de la charge, la déformation admissible, la température de fonctionnement, le risque de choc, le poids cible, les exigences en matière de finition, le volume annuel, les critères d'inspection et les interfaces d'assemblage. Un cache esthétique et un support porteur peuvent sembler similaires, mais nécessitent des systèmes de matériaux et des contrôles qualité différents.

Si vous envisagez d'acheter un pièce sur mesure en CFRP, veuillez envoyer le plan, la demande, la quantité prévue et les exigences de performance à un fabricant de composites en carbone. Cela permet à l'équipe d'ingénieurs de disposer d'un contexte suffisant pour discuter de l'architecture des fibres et des options de moulage, plutôt que de se baser uniquement sur l'aspect extérieur.

Foire aux questions

La fibre de carbone a-t-elle été inventée en 1860 ou en 1958 ?

Ces deux dates correspondent à des étapes importantes distinctes. Vers 1860, Joseph Swan a mis au point l'un des premiers filaments de carbone destinés à l'éclairage. En 1958, Roger Bacon a présenté les premières fibres de graphite à haute performance. La découverte de 1958 constitue le meilleur point de départ pour l' Histoire de la fibre de carbone structurelle.

Est-ce que Thomas Edison a inventé la fibre de carbone ?

En 1879, Edison a fabriqué et commercialisé des filaments de lampe en cellulose carbonisée. Selon l'American Chemical Society, il aurait pu être à l'origine de la première fibre de carbone commercialisée. Il n'a toutefois pas inventé le matériau de renfort haute performance utilisé dans les structures modernes en PRFC.

Roger Bacon a-t-il inventé la fibre de carbone à base de PAN ?

Non. C'est Bacon qui a découvert, en 1958, des whiskers de graphite à hautes performances dans un arc au carbone, puis qui a contribué au développement de la fibre de rayonne à haut module. Akio Shindo a mis au point avec succès, au Japon, un procédé à base de PAN en 1961. William Watt et le Royal Aircraft Establishment ont amélioré les performances de la fibre de PAN en 1964.

Qui a inventé la fibre de carbone pour la Formule 1 ?

Aucune écurie de Formule 1 n'a inventé la fibre de carbone elle-même. C'est McLaren qui a lancé en 1981 la monocoque en composite de carbone MP4/1, en collaboration avec Hercules Aerospace pour la conception de cette structure composite. Il s'agissait là d'une application majeure de la technologie existante de la fibre de carbone dans le domaine du sport automobile.

Quelle est la différence entre la fibre de carbone et le CFRP ?

La fibre de carbone est le filament de renforcement. Le CFRP est un matériau composite dans lequel des fibres de carbone sont intégrées dans une matrice polymère, généralement de l'époxy. Le type et l'orientation des fibres déterminent en grande partie la rigidité et la résistance directionnelles, tandis que la matrice lie les fibres entre elles, transfère les charges et définit la forme de la pièce.

À propos de l'auteur

Révision technique par Hank, chef de produit