Brevet FR2488879A1 — publié le 19820226

--] -- L'invention est relative à des structures composites en carbone compre- nant au moins une partie poreuse et une partie étanche, et à un procédé per- mettant de les obtenir. Ces structures trouvent leurs applications dans les domaines requérant la combinaison de l'inertie chimique du carbone à la présence de parties poreuses et étanches. Ainsi, ces structures conviennent particulièrement en tant qu'électrodes pour piles zinc/halogène, sodium-soufre et comme sépara- teurs de piles à combustible. Il est connu d'obtenir des structures en carbone en faisant un mélange "cru" de particules carbonYes finement divisées et de brai, en mettant en forme ce mélange et ensuite en carbonisant ou graphitant la pièce obtenue. Il est également connu de fabriquer des fibres de carbone et de graphi- te et d'en faire des tissus uiiiisables en tanrt qu'écrans, séparateurs, etc. Selon Viiuvention, la structure composite en carbone est caractérisée i5 en ce qu'elle comprend au moins une partie poreuse en feutre de carbone ou de graphiLe liée intimement à au moins une partie étanche en carbone vitreux. La structure composite pett r.n'tre formxée que de ces deux parties. Elle peut également ktre une structure sandwich faite de couches alternées de feutre de carbone ou de graphite, et de carbone vitreux. Les figures i, 2 et 3 illustrent à titre indicatif et non limitatif, plusieur vari tntes de l'invention LX figure J est une coire fragmentaire d'une structure selon l'inven- tion. Cette structure: est formée d'un feutre de carbone 2 constitué de Libres de carbone 3. Les fitrr-s de carbone transversales 4 du feutre 2 pénè- trent dasl les parties en carbone vitreux 5 de chaque coté du feutre. La figuie: est une vue simiiaire d'une autre structure selon l'inven- tion. La structure 6 es: fo due daune seule couche de carbone vitreux 5 liée intimement à une seule facu du feutre de carbone ou de graphite 2. La figure 3 est une vue similaire d'une structure selon l'invention combinant les structures montrées sur les figures I et 2. La structure 7 comprend des couches alternées de feutre de carbone 2 et de carbone vitreux li.es étroitement ensemble. 1l eus entendu que d'autres combinaisons sont possibles sans pour autant sortir du cadre de l'invention. L'inveitiun comprend également un procédé d'obtention de ces structures composites. Ce proced. est caractérisé en ce que i'on applique sur au moins une cou- che de feutre de carbonî ou de graphite ou d'un matériau précurseur une cou- che de résine polymérisable et carbonisabie a haut taux de carbone, et que l'on soumet le composite résine-feutre obtenu à un traitement thermique aux températures de carbonisation ou de graphitation. La résine polymérisable (en général à l'aide d'un catalyseur de polymé- risation non critique tel que le perchlorate d'aniline) et carbonisable à haut taux de carbone, de l'ordre de 40 à 90%, est avantageusement choisie parmi celles ayant de fortes liaisons moléculaires transversales telles que les résines à base de furfural, les résines phénoliques, les résines polyi- mides. Ces résines, après carbonisation et traitement thermique ultérieur donnent du carbone vitreux. Ce matériau est ainsi appelé, car il a l'aspect extérieur et les propriétés d'un verre noir: il a une microporosité fermée et est imperméable aux gaz. Selon la température du traitement thermique, les propriétés du carbone vitreux obtenu présentent quelques différences core lae montre le tableau, ci-après dans lequel: V 10 correspond à un traitement thermique à 1000 C V 25 correspond à un traitement thermique à 25000 C Cette dernière qualité est plus stable au cours de cycles thermiqueas et doit Rtre préférea lorsque des variations brutales de temperature peuven_ se produire ou que ia température maximale d'utilisation dépasse 10o00 C, La ou les parties en carbone vitrcux de la structure composite soleon ! invention pourront donc avoir ces propritéso Le feutre sui constitue la ou les autres parties de ladite structure peut: etre un feutra de carbone ou de graphite et * de préférence les carac- téristiques données dans les tableaux 2 et 3. Le tableau 2 donna les carac- téristiques générales, le tableau 3 des caractéristiques particulières selon les épaisseurs standards. Les fibres constituant les feutres ont de preference un diamètre de 4 a 12 im. Tableau I PROPRIETES CHIMIQUES Température limite d'utilisation permanente Densité apparente Porosité apparente Perméabilité aux gaz à température ambiante à 2500 C Taux de cendres Teneur en soufre Teneur en bore Résistance à l'oxydation: à 600 C a 806V C PROPRIETES MECANIQUES Limite de rupture à la flexion Limite de rupture à la compression Dureté "Shore" Micro-dureté Vickers sous 30 g. Module d'Young PROPRIETES THERMIQUES Coefficient de dilatation: à 1000 C à 650 C Conductivité thermique Résistance au choc thermique Trempa à l'air acceptable depuis: jusqu'à température ambiante PROPRIETES ELECTRIQUES V l0 10000 C 1,50 mieux que 10-1cm2/s 0,02 % (200 ppm) ppm 1 mg/cm2 h mg/cm2 h 1000 kg/cm2 3000 kg/cm2 - 125 2850 kg/mm2 3,2 x 3,5 x 0,01 cal/cm. C. V 25 J 2500 C 1,55 mieux que 10-8cm2/s env. 10-6cm2/s 0,005 % (50 ppm) ppm 2 ppm 0,1 mg/cm2 h 2 mg/cm2 h 600 à 800 kg/cm2 1500 à 2000 kg/cm2 - 125 - 175 2200 kg/mm2 par C par C 0,02 cal/cm. C.s 2500 C 4500 microhm-cm h à o 0-6 -6. S 1000 C 5500 microhm-cm i. ____________ Résistivité 4> O co Co 1... - S - - [ w Tableau 2 Caractéristiques générales Unites Feutre de carbone Feutre de graphite RVC RVG Teneur en carbone % 94-97 99-100 Cendres Z 0,1 à 0,3 inf. à 0,1 Matières volatiles % 1,5 à 4 inf. à I Soufre % 0,3 à 0,5 inf. à 0,1 Résistance à l'oxydation perte de poids après 48 h à 350 C dans l'air % 4 à 12 inf. à 1 Diametre des fibres im env. 10 env. 9 Largeur des coupes m 0,90 0,88 Tableau 3 Caractéristiques Unites RVC RVC RVC RVG RVG RVG particulières 1000 2000 4000 1000 2000 4000 Longueur max. m 15 7 3 15 7 3 Epaisseur moyenne mm 1, 3 4 10 1,2 3,5 9 Poids au m2 g 135 250 950( 130 220 900 Résistance à la traction kg env. 0,65 env. 1,5 env. 10 env. 0,55 env. I env. 4 d'une bande de largeur N 6,5 15 100 5,5 10 40 de 5 cm Résistance électrique d'un carré de feutre ohm 1,9 1,15 0,30 1,7 I 0,20 Conductibilité thermique cal/cm 0,0003 0,0006 0,0004 0,0007 Gs - !- ru Co oe Co Le catalyseur utilisé varie avec la résine choisie pour faire le carbone vitreux et n'est pas critique, de sorte que l'on peut employer un quelconque catalyseur de polymérisation bien connu. De préférence, on prend le perchlo- rate d'aniline que l'on forme in situ en ajoutant séparément de l'aniline et de l'acide perchlorique. La quantité de catalyseur utilisé normalement est de l'ordre de I à 10% en poids de la résine de base, de préférence de l'ordre de 5 2. La résine peut être appliquée soit en la coulant, soit en la centrifu- geant avec une bande de feutre. Généralement, on applique 0,1 à 2 grammes de résine par cm2 de fibres. Le procédé de l'invention est par ailleurs illustré de manière non limi- tative par les exemples suivants Exemple 1. Cet exemple illustre la première manière d'appliquer la résine sur le feutre selon l'invention. Une résine à base de furfural est mélangée à 5% d'aniline et d'acide perchlorique, et versée sur une surface plane chimiquement inerte. On la laisse s'épaissir 4 à 5 heures à température ambiante (18'C) ou jusqu'à ce que sa viscosité dépasse 20 000 cP. Par ailleurs, un morceau de feutre en fibres de carbone (RVC 1000) est coupé et appliqué sur le mélange de résine catalysée. On laisse ensuite l'ensemble durcir pendant 20 heures à température ambiante; après quoi, il est découpé aux dimensions désirées. Dans une variante, les fibres du feutre sont précarbonisées avant d' - tre appliquées sur la résine. Dans une seconde variante, on utilise le matériau précurseur non traité. Exemple 2. Cet exemple illustre la 2ème manière d'appliquer la résine sur le feutre selon l'invention. Cette manière donne un meilleur produit car la résine peut être appliquée avec plus d'homogénéité aux fibres du feutre. La résine est préparée comme dans l'exemple 1, puis versée dans une cen- trifugeuse tournant à une vitesse d'environ 100 tours/minute et on la laisse s'épaissir jusqu'à ce que sa viscosité dépasse 20 000 cP. Une bande de feutre de carbone est alors introduite dans la centrifu- geuse que l'on fait repartir à une vitesse de 150 tours/minute. On chauffe de manière à amener la résine à sa température de polymérisation de 100 à *C pendant que la machine tourne. On continue à centrifuger durant 3 à 4 heures. La centrifugeuse-est arrêtée avant que la pièce ne durcisse, le rouleau de composite est déroulé et placé sur une surface plane pour découpage aux dimensions désirées. Exemple 3. Cet exemple illustre le traitement thermique du procédé. Les formes "crues" obtenues selon l'un ou l'autre des exemples précédents sont empilées dans un creuset en fer et séparées l'une de l'autre par des plaques intercalaires plates telles que des feuilles en graphite ayant les mêmes dimensions initiales que les formes. Les formes "crues" sont en- suite chauffées à une température comprise entre environ 700 et 1200 C selon la taille et les caractéristiques des formes pour obtenir les composites carbone/carbone. Si l'on désire obtenir un élément graphité ou très graphité ou s'il est nécessaire d'augmenter la pureté ou de diminuer la surface spé- cifique, l'élément est chauffé jusqu'à une température comprise entre 1500 et 30000C. Quand l'épaisseur de résine est d'environ 0,2 à 2,5 mm, la vitesse de montée en température est de préférence d'environ 3 h 50 C/h. Si l'épaisseur de la résine est supérieure à 2,5 mm, cette vitesse est de préférence de l'ordre de 1 C/h. Le retrait dûi à la cuisson est d'environ 21 %. On peut faire varier l'épaisseur du carbone vitreux de 0,2 à 5 mm. maxi- mum. On peut de la7meme façon faire varier l'épaisseur du feutre mais sans limite maximale. De la description ci-dessus ressortent les caractéristiques essentielles de l'invention et, bien entendu, en restant dans son esprit et dans son champ on peut faire des changements et modifications variés pour l'adapter à des usages et des conditions variés. 7- RE V E N D I C A T I 0 N S 1. Structure composite en carbone caractérisé en ce qu'elle comprend au moins une partie poreuse en feutre de carbone liée intimement à au moins une partie étanche en carbone vitreux. 2. Structure composite selon la revendication I caractérisé en ce qu'elle est constituée de couches alternées de parties poreuses en feutre de carbone et de parties étanches en carbone vitreux, liées intimement les unes aux autres pour former une structure sandwich. 3. Structure composite selon la revendication I ou la revendication 2 carac- térisé en ce qu'elle est graphitée. 4. Procédé d'obtention d'une structure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on applique sur au moins une couche de feutre de carbone ou d'un matériau précurseur, ou de graphite, une couche de résine polymérisable et carbonisable à haut taux de carbone, et que l'on soumet l'ensemble à un traitement thermique aux températures de carbonisation ou de graphitation. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la résine est choisie parmi les résines à base de furfural, les résines phénoliques, les résines polyimides. 6. Procédé selon la revendication 4 ou la revendication 5 caractérisé en ce que l'application de la résine sur le feutre est effectuée en coulant la résine sur une surface plane et rigide et en plaçant le feutre dessus. 7. Procédé selon la revandication 4 ou la revendication 5 caractérisé en ce que l'application de la résine sur le feutre est effectuée en centrifu- geant une bande de feutre avec la résine et en chauffant à la température de polymérisation de la résine, le composite feutre-résine ainsi obtenu étant ensuite déroulé avant d'être cuit. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que l'on utilise une épaisseur de résine comprise entre 0,2 et 2,5 mm et que la vitesse de montée en température lors du traitement thermique est de l'ordre de 3 à 5OC/h. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que l'on utilise une épaisseur de résine supérieure à 2,5 mm et que la vi- tesse de mvntée en température lors du traitement thermique est de l'ordre de I1C/h. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9 caractérisé en ce que le traitement thermique est mené en empilant dans un four une série de structures composites feutre-résine,en les séparant par des intercalai- res rigides et plats, et en chauffant a la température désirée.