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Le jour où des avions noirs sillonneront le ciel

Plus légers que l’aluminium, plus solides que l’acier, les PRFC (PRFC : Plastiques à renfort de Fibre de Carbone) sont de nouveaux matériaux. Ils contribuent au soutien de la fabrication des nouvelles générations de produits manufacturiers et sont généralement utilisés dans la fabrication des structures principales des avions de ligne à réaction, moyens porteurs du secteur privé. Au Japon, la recherche dans le domaine des fibres de carbone (principal composant des PRFC) a commencé dans les années 60. Nous avons interrogé Shunsaku Noda et Hiroshi Taiko, respectivement Directeur général, et Directeur général adjoint de la Section aéronautique du Département de technologie des matériaux composites de pointe de la société TORAY.

ZOOM

Les PRFC

Les PRFC sont des matériaux composites constitués de fibres de carbone et de résine. Cette composition leur donne des caractéristiques impossibles à obtenir avec des matériaux individuels et leur a donné l’appellation de « matériaux composites ». Le TORAYCA®Prepeg est, par exemple, constitué de faisceaux composés de 24 000 fibres de carbone de 5 µm d’épaisseur disposés en feuillets imprégnés de résine thermodurcissable telle que la résine époxyde. La superposition et la rigidification de ces feuillets permettent de bénéficier de la solidité élevée et de l’élasticité des fibres de carbone.

Les PRFC se caractérisant par une importante variation de leurs performances en fonction de la quantité de fibres de carbone utilisée, de leur disposition (direction des fibres, composition des couches de prépreg), leur conception est adaptée à l’utilisation envisagée et des performances attendues.

Pour une densité de 1,7, ils sont environ 4 fois plus légers que l’acier

• Pour une densité de 1,7 fois, ils sont environ 4 fois plus légers que l’acier.
• Leur résistance maximale à la traction avec des fibres à haute résistance est d’environ 7 GPa.
• Leur module d’Young maximal en traction avec des fibres à haut module d’élasticité est d’environ 630 GPa.
• Ils disposent de nombreux avantages comme, par exemples, une bonne stabilité dimensionnelle, un bon amortissement des vibrations, une forte conductivité thermique, un amagnétisme, une résistance à la corrosion, ainsi qu’une forte résistance à la fatigue.

Carbon Fiber Manufacturing Processes
PAN (polyacrylonitrile)-based carbon fibre manufacturing comprises four processes:
1) Polyacrylonitrile plastic is processed and pumped through a spinning machine to be made into fibres.
2) The fibres are heat treated to enhance flame resistance (oxidation).
3) The fibres are heated again to carbonize them.
4) The surface is treated to complete the process.

Étape 1　1950～

La naissance et le début de la recherche et du développement  des fibres de carbone

Les origines des fibres de carbone remontent à la fin du 19e siècle et à l’invention de l’ampoule électrique par Thomas Edison et Joseph Swan. Ces premières ampoules utilisaient des filaments de bambou carbonisés, alors les premières fibres de carbone au monde. Ensuite, les fibres 
de carbone ont été remplacées par des filaments en tungstène, et ont progressivement été oubliées. Leur existence n’a recommencé à attirer l’attention qu’un demi-siècle plus tard, dans les années 50. Les fibres de carbone étant un matériau idéal pour construire les tuyères de fusées qui nécessitent une résistance à la chaleur élevée, des recherches furent lancées d’urgence aux États-Unis pour les développer.

En revanche au Japon, il faut attendre 1959, avec l’invention d’un processus de fabrication des fibres de carbone à partir de la carbonisation de fibres de PAN (polyacrylonytrile) par le docteur Akio Shindo de l’Institut de recherche industrielle d’Osaka. À partir de là, la recherche et le développement dans le domaine des fibres de carbone, ainsi que leur commercialisation se sont développés au Japon. Les fibres de carbone se caractérisant par une solidité élevée, elles constituaient une matière hautement performante idéale pour entrer dans la composition des matériaux composites. En 1967, le constructeur de moteurs d’avion mondialement connu, Rolls Royce, adoptait des PRFC pour ses réacteurs. 
A la même époque, TORAY lançait le développement de fibres de carbone utilisant des fibres acryliques « TORAYLON », puis acquérait en 1970 les droits d’utilisation du brevet détenu par le docteur Shindo. 

En règle générale, les entreprises privées gèrent leurs affaires en faisant des estimations du potentiel de commercialisation de leurs produits et de leur chiffre d’affaires. Persuadée de l’avenir prometteur de ces nouveaux matériaux, TORAY a jugé que la mise en place d’un système de production de PRFC fabriqués à partir de fibres de carbone constituait une priorité et a pris la décision audacieuse pour l’époque d’investir dans ce domaine.

Étape 2　1971～

Lancement de la production de PRFC malgré une utilité non encore définie

L’année suivante, en 1971, TORAY lançait la fabrication et la commercialisation de fibres de carbone haute résistance à base de PAN, le « TORAYCA® T300 ». Bien que les fibres de carbone aient commencé à faire parler d’elles en tant que nouveau matériau d’avenir, leur utilité n’était pas encore vraiment clairement définie. De plus, TORAY avait déjà décidé de construire une nouvelle usine dotée des plus importantes capacités de production au monde pour l’époque, soit 12 tonnes par an. Cette résolution audacieuse de la direction de l’entreprise était portée par la conviction que « les choses réellement substantielles finissent un jour ou l’autre par être reconnues et appréciées ». Les membres de la direction partageaient également le rêve de voir « un jour des avions noirs (construits avec des PRFC utilisant des fibres de carbone noires) sillonner le ciel ». Simultanément, Rolls Royce connaissait de grandes difficultés dans le développement d’un moteur à réaction en PFRC. 

En ce qui concerne TORAY, les premiers produits utilisant des fibres de carbone commercialisés en 1972 étaient des cannes à pêche à la truite ayu. La légèreté de ces cannes à pêche comparée à celle des cannes ordinaires deux fois plus lourdes, et la maniabilité qui en découlait leur permirent de connaître un franc succès sur le marché malgré leur prix élevé. Par ailleurs, la même année, le golfeur professionnel Gay Brewer remportait le tournoi des Masters avec un club de golf dont le shaft noir était en PRFC. Ceci permit de rapidement faire connaître les PRFC et de nombreux golfeurs se précipitèrent pour acheter ce type de clubs. Les PRFC commencèrent aussi à être utilisés dans la fabrication des raquettes de tennis. 
Ces matériaux  étaient principalement destinés à l’usage sportif ou de loisir et leur distribution ne représentait encore qu’un faible volume malgré leur utilisation dans la fabrication de produits industriels ordinaires.

C’est dans ce contexte qu’en 1975, les PRFC connurent un tournant important. Le choc pétrolier de 1973 fit de l’allégement des fuselages d’avion le plus important enjeu à résoudre par les constructeurs d’avion pour réduire la consommation de carburant des avions, et entraina l’adoption des PRFC comme matériaux pour les structures secondaires qui impliquaient moins de risques du point de vue de la sécurité en vol. L’espoir caressé par TORAY de voir « l’adoption des PRFC comme matériaux de construction des avions » était enfin exaucé. Par la suite, l’adoption successive des PRFC par BOEING puis AIRBUS pour construire leurs avions permit en 1988 de dépasser une production cumulée de 10 000 tonnes de fibres de carbone TORAYCA®. 

À l’époque, la plupart des fabricants de matériaux anglais ou américains estimaient que la production des PRFC n’était pas rentable, et se retiraient les uns après les autres de ce marché. En revanche, les entreprises japonaises, et en particulier TORAY qui visaient une pérennisation technologique à long terme continuèrent leurs recherches pour développer et fabriquer des PRFC utilisant des fibres de carbone à haute performance, pour finalement aboutir en 2010 à la détention par le Japon d’environ 70 % des parts du marché mondial des fabricants de fibre de carbone.

Étape 3　1990～

Généralisation de l’adoption des PRFC comme matériau composant la structure des avions

En 1990, l’adoption par BOEING de TORAYCA®PREPREG (PRFC en feuillets) fabriqué à partir d’une combinaison de fibres de carbone et de résine époxyde comme matériau de composition de la structure principale du fuselage de ses avions (structures affectant directement la sécurité en vol) permit de donner aux PRFC leurs lettres de noblesse en démontrant qu’il s’agissait de matériaux extrêmement fiables aux performances élevées. Les caractéristiques et principaux avantages des matériaux composites que sont les PRFC combinant des fibres de carbone et de la résine sont leur légèreté, quatre fois plus importante que celle de l’acier, leur résistance à la fatigue qui leur permet de supporter des tensions dix fois plus importantes que l’acier, ainsi que leur plasticité qui leur permet de prendre toutes sortes de formes.

L’adoption des PRFC pour constituer 50 % de la masse des structures principales des avions, telles que le fuselage ou les ailes dans le projet BOEING 787 lancé en 2003 a permis d’en faire des matériaux incontournables. En 2006, TORAY et BOEING ont signé un accord d’approvisionnement en PRFC, afin de fournir des matériaux structurels primaires jusqu’en 2021.

Étape 4　2010～

Généralisation de l’utilisation industrielle et croissance rapide des PRFC

À partir des années 2010, la demande mondiale en PRFC a fait un bond. Les PRFC commencent, alors, à être utilisés dans divers usages industriels autres que les équipements sportifs ou les avions, tels que les pales d’éoliennes, les toits, capots, arbres de transmission et dans l’automobile, les réservoirs des voitures au gaz naturel ou des voitures à pile à combustible, les fourches des robots de manutention des panneaux à cristaux liquides, les carrosseries de trains à grande vitesse, les boitiers d’ordinateurs, etc.

Le développement des fibres de carbone et des matériaux composites font partie des axes stratégiques de TORAY. 
TORAY a principalement investit ses ressources en anticipant la croissance de leur demande par les secteurs industriels en pleine expansion tels que l’automobile, l’aéronautique, ou les énergies nouvelles. En 2020, TORAY envisage de nouveaux investissements en Amérique du Nord, et projette d’y élargir ses activités.

D’un point de vue technique, la résistance des fibres de carbone n’atteint actuellement qu’un dixième de sa valeur théorique, et il reste ainsi encore de la marge pour l’améliorer. De plus, le prix élevé des fibres de carbone limite leur pénétration sur le marché. Cependant, leur adoption pour la construction des éléments des automobiles devrait augmenter, ce qui permettrait de réduire les coûts de production par un effet de série, ainsi, il y a de grandes chances que leur demande augmente considérablement à l’avenir.

Cette année constitue la 46e année depuis le lancement mondial de la production commerciale de fibre de carbone par TORAY. Mais, tout au long de ces années, quelle fut la motivation à cette ténacité permettant de conquérir ce marché ? La réponse est sans aucun doute la politique entre-preneuriale et la culture d’entreprise de TORAY de « continuité à très long-terme » née, on peut le dire, du rêve caressé par la direction de voir « un jour des avions noirs, construits avec des PRFC, sillonner le ciel ». Ces PRFC dont la genèse a été parsemée de nombreux obstacles vont encore continuer à évoluer en tant que matériaux ultras performants à la pointe de la technologie, pour soutenir les industries du monde entier.

Regard sur l’histoire des PRFC

Noda: « L’intérêt de travailler dans le domaine des matériaux réside dans le fait que les produits développés peuvent améliorer le monde, en contribuant par exemple à la réduction de la consommation de carburant des avions. Les PRFC, développés durant ces années grâce aux efforts incessants de nos prédécesseurs chez TORAY,  constituent aujourd’hui une de nos activités  stratégiques de développement. Je pense que notre rôle est désormais de développer encore davantage ces activités. Comparé à la maturité des matériaux métalliques, on peut dire que les matériaux composites à base de fibres de carbone ont encore devant eux un développement potentiel important, que ce soit du point de vue de leur diversité, du volume de leur production ou de leurs domaines d’utilisation. Je crois ainsi à leur infini potentiel et j’espère pouvoir contribuer avec ces matériaux à changer positivement le monde. »

Taiko: « J’adore les avions depuis l’enfance, c’est sans doute pour cette raison que je travaille dans un domaine lié à l’aéronautique et aux fusées. Le plus grand rêve, pour quelqu’un qui travaille dans la recherche et le développement dans ce domaine, est de pouvoir voyager dans un avion fabriqué avec les matériaux qu’il a lui-même conçu. Les PRFC utilisés pour la construction du BOEING 787 ont avant tout été conçus par mes prédécesseurs, et je n’ai donc eu aucun rôle direct à ce sujet. J’espère pouvoir voyager dans un avion construit avec les matériaux que j’aurais inventé d’ici une dizaine d’années. Je travaille, ainsi, chaque jour d’arrache-pied afin de concrétiser mon rêve. »