Feutre à base de viscose dans un four de chauffage par induction

L'adéquation defibre de carbone à base de viscose pour systèmes d'isolationdans les environnements de chauffage par induction à haute température est principalement dû à ses propriétés clés, notamment une faible conductivité thermique, une stabilité thermique élevée, une excellente résistance aux chocs thermiques, une pureté élevée et une faible teneur en impuretés, ainsi qu'une facilité de traitement légère. Ces propriétés s'associent pour en faire un matériau isolant hautement efficace, propre et fiable pour les environnements à températures extrêmement élevées, possédant une valeur stratégique irremplaçable, en particulier dans les domaines haut de gamme tels que l'aérospatiale et la fabrication de semi-conducteurs.

I. Faible conductivité thermique

La conductivité thermique de la viscosefibre de carboneà température ambiante est d'environ 1,26 W/m·K, bien inférieure à celle des matériaux métalliques (comme l'acier inoxydable, environ 15 W/(m·K)) et de nombreux matériaux céramiques. Cette caractéristique découle de sa « structure graphite désordonnée » et de sa « structure poreuse développée ». Dans les systèmes de chauffage par induction à haute température, une faible conductivité thermique signifie que la chaleur est moins facilement perdue de la zone de chauffage vers l'environnement extérieur, permettant ainsi d'obtenir une isolation efficace.

La conductivité thermique de la fibre de carbone à base de viscose reste faible même à haute température. Sa microstructure contient de nombreux pores à l'échelle nanométrique et micrométrique, qui forment des « canaux à faible transfert de chaleur » à des températures supérieures à 2 000 ℃, empêchant efficacement la conduction thermique. Simultanément, les matériaux carbonés transfèrent la chaleur à travers les ondes du réseau, tandis que la disposition du réseau des fibres de carbone à base de viscose est plus désordonnée (structure non graphitée), allongeant le chemin de conduction thermique et réduisant encore davantage la conductivité thermique. Dans les équipements à haute température tels que les fours au silicium monocristallin, les feutres isolants ou les panneaux d'isolation thermique en fibres de carbone à base de viscose peuvent réduire considérablement les pertes de chaleur et améliorer l'efficacité énergétique.

II. Résistance aux hautes températures et stabilité thermique

Les fibres de carbone à base de viscose peuvent fonctionner de manière stable jusqu'à « au-dessus de 2 800 ℃ » dans des environnements inertes ou sous vide, ce qui en fait un matériau isolant idéal pour les zones à haute température dans les systèmes de chauffage par induction. À des températures extrêmes supérieures à 2 000 ℃, la plupart des matériaux subissent des changements physico-chimiques importants, tandis que les fibres de carbone à base de viscose conservent leur structure et leurs propriétés de base.

La grande stabilité thermique des fibres de carbone à base de viscose provient de leurs propriétés « difficiles à graphiser ». Par rapport aux fibres de carbone à base de PAN ou de brai, les fibres de carbone à base de viscose sont moins susceptibles de former une structure de graphite hautement ordonnée à haute température. Cependant, cela signifie également qu’ils sont moins sujets à des transitions de phase structurelles drastiques à haute température. Les expériences montrent que les fibres de carbone à base de viscose traitées à 2 200°C conservent toujours une structure non graphitée avec une densité de seulement 1,39 g/cm³ et une teneur en carbone supérieure à 98,5 %. Cette structure carbonée stable les empêche de fondre ou de se décomposer à haute température, leur permettant ainsi de conserver leurs propriétés d'isolation thermique sur une longue période.

Il est à noter que les fibres de carbone à base de viscose sont sujettes à l’oxydation dans des environnements oxydants (considérablement accélérée au-dessus de 400℃). Cependant, dans les systèmes de chauffage par induction, l'utilisation d'une atmosphère protectrice (telle que l'argon ou l'azote) ou d'une chambre à vide évite efficacement ce problème d'oxydation, en exploitant pleinement leur résistance aux hautes températures.

III. Excellente résistance aux chocs thermiques

Les systèmes de chauffage par induction nécessitent généralement des démarrages et des arrêts fréquents, entraînant des changements de température drastiques. L'allongement élevé à la rupture (>2%) et la faible densité (1,39-1,7 g/cm³) des fibres de carbone à base de viscose leur confèrent une excellente résistance aux chocs thermiques, leur permettant de résister à des variations rapides de température sans se fissurer facilement.

La résistance aux chocs thermiques fait référence à la capacité d’un matériau à résister à la fissuration sous des changements de température drastiques. Le coefficient de dilatation linéaire positif des fibres de carbone à base de viscose (2,184 × 10⁻⁶/K à 800℃) garantit un degré élevé d'adéquation entre leur comportement de dilatation et celui de la matrice de résine lors du chauffage, réduisant ainsi considérablement la concentration des contraintes thermiques. De plus, leur structure flexible et leur allongement élevé à la rupture permettent d'absorber l'énergie du choc thermique grâce à une déformation flexible, évitant ainsi les fissures causées par la contrainte thermique.

Dans des études sur les composites 2D-C/C, il a été constaté que la déformation thermique libre des fibres de carbone à base de viscose à 800 ℃ est 1/8 de celle des matériaux renforcés à base de PAN, et la contrainte thermique simulée pendant la carbonisation est 1/60 de celle des matériaux renforcés à base de PAN. Ce niveau de contrainte thermique extrêmement faible lui confère une excellente stabilité face aux changements fréquents de température dans les systèmes de chauffage par induction, prolongeant ainsi considérablement la durée de vie du système d'isolation.

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