Fabrication

Les carbones pyrolitypiques, synonymes de pyrocarbones, sont des dépôts massifs de carbone préparés par craquage (décomposition thermique) d’hydrocarbures en phase vapeur (méthane, propane) sur un support (essentiellement du graphite polycristallin) chauffé à haute température (800 à 2000°C).
Ce dépôt chimique en phase vapeur (DCPV) doit être correctement maîtrisé pour éviter la formation de noir de carbone. C’est pourquoi le précurseur carboné est soit dilué dans un gaz vecteur inerte (azote, argon, hélium, hydrogène), soit utilisé sous pression réduite.
La vitesse de dépôt de pyrocarbone est faible : du micromètre au millimètre par heure selon le mode opératoire. Ce dépôt, qui peut être sous forme de plaques planes ou courbes, peut être désolidarisé du support et atteindre de grandes dimensions.

Deux types de pyrocarbone existent, le laminaire lisse et le laminaire rugueux, en fonction des précurseurs carbonés et des temps de séjour dans le réacteur de dépôt.
Le grand intérêt de ce matériau est que les conditions expérimentales dans lesquelles a lieu le dépôt permet de densifier les textures fibreuses en carbone ou autre pour former une matrice composite. Le pyrocarbone croît uniformément sur toutes les parois du support, aussi bien les parties internes qu’externes, en gardant la structure initiale du matériau.

Propriétés et applications

Le pyrocarbone présente l’avantage d’être à la fois biocompatible, hémocompatible (le sang ne coagule pas à son contact), stable dans le temps, inerte chimiquement, quasiment inusable, leger (densit de 1,7 à 2,0 g.cm^-3) et d’une élasticité proche de celle de l’os. C’est pourquoi, il entre dans la fabrication de valves cardiaques mécaniques, de prothèses de doigts et d’implants d’os. La première implantation de valves cardiaques en pyrocarbone date de 1968.
Il faut noter que ce matériau possède une bonne résistance à la compression et à la fatigue (usure à long terme)
Ses propriétés d’étanchéité aux gaz permettent de protéger les matériaux de l’oxydation et de la corrosion. Le pyrocarbone est spécifiquement bien adapté aux environnements à fortes contraintes mécaniques, thermiques (freinage) et chimiques. Ainsi, les industries spatiale, nucléaire et chimique emploient des pièces revêtues de pyrocarbone (tuyères de missiles).

Le pyrocarbone peut subir une graphitisation quasi complète à 3 000°C pour former un cristal de graphite quasi parfait. Ce matériau est utilisé comme monochromateur de rayons X et de neutrons.

Par traitement thermique à plus basse température (700-2 000°C) et sous pression (5 mbar à pression atmosphérique), les pyrocarbones deviennent plus ou moins isotropes (mêmes propriétés dans toutes les directions) et peuvent former des fibres courtes à haut module (performances élevées en présence de catalyseurs.

Bibliographie

Le carbone dans tous ses états, P. Bernier, S. Lefrant, Gordon and Breach Science Publishers.

Chimie dans les phases gazeuses précurseurs des dépôts de pyrocarbone, O. Aubry, J. L. Delfau, L. Vandenbulcke, C. Vovelle, web.cnrs-orleans.fr (31/08/2006).

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Le carbone en électrotechnique, M. Coulon, C. Reynvaan, J. Maire, Techniques de l’ingénieur, D2660.