La fibre de carbone est considérée comme le « roi des nouveaux matériaux avancés » en ingénierie du bâtiment. Ses propriétés mécaniques et chimiques sont parfaites.

Propriétés mécaniques parfaites de la fibre de carbone

La fibre de carbone est un nouveau matériau doté d'excellentes propriétés mécaniques. Elle présente deux caractéristiques : une forte résistance à la traction et une aptitude à la transformation souple.

Sa résistance à la traction est d'environ 2 à 7 GPa, et son module d'élasticité est d'environ 200 à 700 GPa. Sa masse volumique est d'environ 1,5 à 2 grammes par centimètre cube, principalement déterminée par la température de carbonisation, à l'exception de la structure du précurseur. Généralement, la masse volumique peut atteindre 2 g par mètre cube après graphitisation à haute température (3 000 °C). Son poids est léger, inférieur à celui de l'aluminium, et sa résistance est 20 fois supérieure à celle de l'acier. Son coefficient de dilatation thermique est différent de celui des autres fibres et présente une caractéristique d'anisotropie. La capacité thermique massique de la fibre de carbone est généralement de 7,12. La conductivité thermique diminue avec l'augmentation de la température. La direction parallèle à la fibre est négative (0,72 à 0,90), tandis que la direction perpendiculaire à la fibre est positive. La résistance massique de la fibre de carbone dépend du type de fibre. À 25 °C, le module élevé est de 775 et celui de la fibre de carbone haute résistance de 1 500 par centimètre. Cela en fait la fibre de carbone présentant la résistance et le module massiques les plus élevés parmi toutes les fibres hautes performances. Comparée au titane, à l'acier, à l'aluminium et à d'autres matériaux métalliques, la fibre de carbone présente des caractéristiques de résistance élevée, de module élevé, de faible densité et de faible coefficient de dilatation linéaire, ce qui en fait le « roi des nouveaux matériaux avancés ». La fibre de carbone présente des caractéristiques générales : son aspect est anisotrope et souple. Elle peut être transformée en divers tissus, ses dimensions sont très réduites et sa résistance est très élevée le long de l'axe de la fibre. La fibre de carbone, combinée à l'époxy de la fibre de carbone et au polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC), présente les caractéristiques de résistance et de module les plus élevées parmi les matériaux de structure existants. La résistance à la traction des composites en fibre de carbone est généralement supérieure à 3 500 MPa, soit 7 à 9 fois celle de l'acier. Le module de traction de 230 à 430 G est également supérieur à celui de l'acier. Par conséquent, la résistance spécifique des matériaux en PRFC peut dépasser 2 000 MPa, tandis que celle de l'acier A3 n'est que de 59 MPa, soit un module de Young supérieur à celui de l'acier. Comparé à la fibre de verre traditionnelle, le module de Young (qui se réfère à la caractérisation physique à la limite d'élasticité du matériau en traction ou en compression) est plus de trois fois supérieur. Comparé à la fibre Kevlar, son module de Young est environ deux fois supérieur.

Les fibres de carbone présentent également une excellente finesse (l'une des dimensions représentatives de fibres de 9 000 mètres de long), généralement d'environ 19 grammes seulement, et une force de traction pouvant atteindre 300 kg par micron. Presque aucun autre matériau ne présente de telles propriétés exceptionnelles ; elles sont donc soumises à des exigences strictes en termes de degré, de rigidité, de fatigue intense, etc. À l'abri de l'air et des oxydants, la fibre de carbone peut supporter des températures élevées supérieures à 3 000 degrés et présente une excellente résistance à la chaleur. Comparativement à d'autres matériaux, lorsque la température de la fibre de carbone dépasse 1 500 degrés, sa résistance diminue, et plus la température est élevée, plus elle est résistante. La résistance radiale de la fibre de carbone est inférieure à sa résistance axiale. Par conséquent, la fibre de carbone doit éviter la résistance radiale. De plus, les fibres de carbone présentent une bonne résistance aux basses températures, notamment à la température de l'azote liquide.

Propriétés chimiques parfaites de la fibre de carbone

Comme le carbone, la fibre de carbone présente des propriétés chimiques similaires : elle est oxydable par un agent oxydant puissant et inerte face à l'alcalinité générale. À une température ambiante supérieure à 400 °C, l'oxydation se produit, produisant du CO et du CO₂. La fibre de carbone présente une bonne résistance à la corrosion, notamment aux solvants organiques, aux acides et aux bases. Elle est également excellente en termes de résistance à la corrosion et ne rouille pas. Des chercheurs ont trempé des fibres de carbone à base de PAN dans une solution alcaline d'hydroxyde de sodium en 1981. Plus de 30 ans plus tard, la fibre conserve sa forme.