Le passé et le présent de la fibre de carbone

La première exploration des fibres de carbone : émergence et stagnation

L'origine de la fibre de carbone remonte aux années 1880, lorsqu'elle était utilisée comme matériau pour filaments. Thomas Edison et Joseph Swan ont breveté respectivement des filaments en carbone fabriqués à partir de bambou et de fil de coton. Toutefois, avec la diffusion des ampoules à filament de tungstène, les filaments en carbone ont été remplacés en raison de leur efficacité et de leur durée de vie inférieures, ce qui a conduit à une quasi-stagnation du développement de la technologie des fibres de carbone pendant plusieurs décennies.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, Union Carbide a commencé à rechercher la fibre de carbone en utilisant la rayonne comme précurseur et a produit en 1958 un tissu en fibre de carbone utilisable pour des tests de tuyères de fusée et de boucliers thermiques par graphitisation à haute température. Cependant, en raison d'un manque de procédés d'étirage optimisés, ses propriétés mécaniques étaient médiocres, limitant ainsi son application commerciale.

Les années 1960 : concurrence internationale et percées technologiques

Au début des années 1960, le Japon, les États-Unis et le Royaume-Uni ont commencé presque simultanément des recherches sur les fibres de carbone à haute résistance et à haut module. En 1960, le scientifique américain R. Bacon a produit des moustaches de graphite par une méthode d'arc sous pression ; bien que cela n'ait pas été commercialisé, cela a attiré l'attention de l'US Air Force. La même année, le MITI japonais a lancé un programme de recherche collaborative avec des entreprises comme Toray et Nippon Carbon pour développer une fibre de carbone à base de polyacrylonitrile (PAN). Akio Shindo a publié des résultats en 1961, produisant des échantillons ayant trois fois les performances de la fibre de carbone à base de rayonne, mais cela a reçu peu d'attention dans le milieu académique occidental.

L'Établissement royal de l'aéronautique (RAE) du Royaume-Uni a commencé ses recherches en 1963 et a accéléré le développement après avoir pris connaissance des travaux japonais Réalisation, développant un procédé de fibre de carbone à base de PAN avec une performance doublée en six mois. Les principales avancées comprenaient l'étirement du précurseur PAN pendant l'oxydation afin d'améliorer l'orientation moléculaire, l'optimisation des procédés de traitement thermique et le développement d'une méthode d'oxydation électrolytique pour améliorer l'adhérence entre la fibre et la résine. Cette technologie a été concédée sous licence à trois entreprises britanniques : Courtaulds, Morgan Crucible et Rolls-Royce.

Rolls-Royce a utilisé la fibre de carbone pour les pales du moteur RB211, mais un échec lors des essais de collision avec des oiseaux a contribué à la faillite de l'entreprise, affectant gravement l'industrie britannique de la fibre de carbone. Pendant ce temps, la société japonaise Toray lançait en 1971 la fibre de carbone Torayca T300, qui est devenue un matériau fondamental pour les composites de première génération et s'est implantée sur le marché mondial grâce à des accords d'échange technologique.

1970–1989 : Expansion des applications et réduction des coûts

À partir des années 1970, les applications des fibres de carbone se sont progressivement étendues de l'aérospatiale aux articles de sport et aux secteurs industriels. Grâce à l'amélioration des procédés, leur coût de production est passé de 200 £ par kg en 1970 à 20-80 £ par kg en 1980. Les entreprises japonaises, profitant d'une optimisation technologique et d'une expansion de leurs capacités, ont pris le leadership. Des sociétés comme Toray et Toho Rayon ont réussi à imposer la fibre de carbone sur les marchés grand public, notamment dans les clubs de golf et les cannes à pêche.

Dans les années 1980, la fibre de carbone a été utilisée dans des structures secondaires d'avions comme le Boeing 757/767. Une exigence du Département de la Défense américain de 1987 imposant une production nationale à hauteur de 50 % pour la fibre de carbone et ses précurseurs a déclenché une vague d'investissements domestiques, mais a ensuite conduit à une surcapacité. Les entreprises japonaises ont approfondi leur empreinte mondiale grâce à des coentreprises et à la création d'usines, représentant près de la moitié de la production mondiale de fibre de carbone à la fin des années 1980.

Les années 1990 : défis et transformation après la guerre froide

La fin de la guerre froide a entraîné une forte réduction des commandes militaires, faisant chuter la demande américaine de fibres de carbone d'environ 60 % entre 1990 et 1991, ce qui a forcé de nombreux fabricants à arrêter leur production ou à quitter le marché. En revanche, les entreprises japonaises ont accru leurs capacités contrairement à cette tendance et ont renforcé leur position mondiale en rachetant des usines en Europe et en Amérique. En 1993, l'administration Clinton a lancé le projet de réinvestissement dans la technologie (TRP), soutenant l'utilisation de matériaux composites dans les infrastructures civiles et l'aérospatiale, contribuant ainsi à la reprise progressive de l'industrie américaine.

Parallèlement, l'utilisation de la fibre de carbone s'est développée dans des secteurs industriels tels que les pales d'éoliennes et les composants automobiles, tandis que de nouvelles technologies comme les composites thermoplastiques et les fibres de carbone à base de brai insufflaient un nouvel élan à l'industrie.

1990–1995 : Ajustement turbulent et recomposition du paysage

Les ventes mondiales annuelles de fibres de carbone pendant cette période étaient d'environ 8 000 tonnes, mais les structures régionales de la demande différaient sensiblement : le marché américain était dominé par l'aérospatiale, tandis que l'Asie était menée par les articles de sport. Des réductions budgétaires dans la défense américaine ont provoqué une surcapacité sévère ; en 1991, la moitié de la capacité nationale était inutilisée, et des entreprises comme Courtaulds et BASF ont quitté le marché.

Les entreprises japonaises ont continué à s'étendre, avec des sociétés comme Toray et Mitsubishi Rayon qui sont entrées sur les marchés européen et américain par le biais de fusions et d'acquisitions. En 1995, le Japon contrôlait 62 % de la capacité mondiale de fibre de carbone, établissant ainsi un avantage net.

Reprise et nouvelles perspectives

Après 1995, avec la demande croissante de matériaux légers dans les avions d'aviation civile et la croissance continue des marchés de l'énergie éolienne et des articles de sport, l'industrie mondiale des fibres de carbone s'est progressivement redressée. Les entreprises américaines, profitant du projet TRP pour réduire les coûts techniques, sont revenues sur une trajectoire de croissance ; l'Europe est devenue plus dépendante des investissements étrangers après le retrait local. À l'avenir, avec l'augmentation de la demande de matériaux légers dans des domaines émergents tels que les véhicules électriques et l'énergie nouvelle, la fibre de carbone devrait connaître un champ d'application plus étendu.

Conclusion

Le parcours du carbone en fibre, d'un matériau de laboratoire à une matière première clé dans plusieurs domaines, a impliqué des percées technologiques, des fluctuations du marché et une concurrence internationale. Le Japon a établi une position dominante grâce à un investissement technologique continu et à une expansion du marché, les États-Unis ont progressivement retrouvé leur compétitivité avec un soutien politique, et l'Europe a connu des ajustements structurels. À l'avenir, avec la baisse des coûts et l'émergence de nouveaux scénarios d'application, la fibre de carbone devrait jouer un rôle plus important dans les domaines de l'énergie verte, des transports et d'autres secteurs.

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