Un partenariat de longue date entre ACP Technologies et l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du Département de l’Énergie a permis de faire passer des matériaux avancés à base de brai du développement en laboratoire à la production à l’échelle pilote, soutenant ainsi de nouvelles capacités nationales de fabrication de graphite synthétique et de fibres de carbone.
Le brai est un matériau riche en carbone dérivé du pétrole ou du charbon, qui peut être transformé en produits carbonés avancés tels que le graphite et la fibre de carbone — des matériaux qui soutiennent les chaînes d’approvisionnement nationales pour le stockage d’énergie, les transports, l’aérospatiale et la défense. La fibre de carbone permet la production de composants légers et à haute résistance pour les avions, les engins spatiaux, les automobiles et d’autres systèmes critiques.
La collaboration couvre la science fondamentale des matériaux à l’ORNL et le travail de mise à l’échelle au Carbon Fiber Technology Facility (CFTF) du Département de l’Énergie, une installation de fabrication à l’échelle pilote située à l’ORNL. Ensemble, ces efforts ont aidé ACP à affiner et à démontrer des matériaux de brai isotrope et mésophase, qui sont maintenant produits dans une nouvelle installation pilote continue de 75 livres par heure à Ashland, Kentucky. Une usine commerciale plus grande devrait commencer ses opérations en 2029.
« Nous travaillons avec Oak Ridge depuis des années, et la qualité du travail est exceptionnelle », a déclaré Tom Holcombe, directeur général d’ACP Technologies. « Ils nous ont fourni les retours sur les propriétés du procédé dont nous avions besoin pour améliorer notre brai mésophase et le filer de manière fiable en fibre. Cela a été crucial pour nous. »
Un partenariat qui précède la commercialisation
ACP a commencé à travailler avec l’ORNL il y a environ sept ans. L’entreprise cherchait des voies à moindre coût pour produire de la fibre de carbone à partir de matériaux de brai dérivés du pétrole. L’ORNL, qui mène des recherches sur les précurseurs alternatifs de fibres de carbone depuis plus d’une décennie, était un partenaire naturel.
Holcombe a déclaré que l’entreprise avait initialement sollicité l’ORNL via une recherche sponsorisée avec Nidia Gallego, qui gérait à l’époque les systèmes de filage à l’échelle du laboratoire.
« Nous essayions de développer une technologie pour le marché de la fibre de carbone, et nous savions qu’Oak Ridge avait une expertise approfondie », a déclaré Holcombe. « Nidia et son équipe ont pu filer notre brai mésophase et nous donner des retours très directs. Nous avons appris ce que nous devions améliorer dans notre matériau — ses propriétés, son comportement lors du filage — et nous l’avons continuellement affiné. »
« La chimie du brai est très complexe », a expliqué Gallego. « Ce n’est pas un matériau simple à un seul composant — c’est un mélange de nombreux composés, et il n’y a pas une seule propriété qui vous indique s’il produira une bonne fibre de carbone. Cela implique beaucoup de travail expérimental et d’essais-erreurs. »
Travailler à l’échelle du laboratoire a permis à l’ORNL et à ACP de tester rapidement et d’affiner les matériaux avant de passer à une production à plus grande échelle. L’équipe a utilisé des caractérisations et des essais de filage pour évaluer la constance du procédé et identifier les limites d’une exploitation prolongée.
Un enseignement clé est survenu lorsque l’équipe a observé un problème qui n’était pas évident à partir des seules mesures en vrac.
« Ces particules ne modifiaient pas nécessairement le point de ramollissement ou la viscosité de manière évidente, mais elles affectaient la filtration et empêchaient des cycles de filage plus longs », a souligné Gallego.
« C’était vraiment un processus itératif », a expliqué Gallego. « Nous caractérisions et testions le matériau, fournissions des retours, puis ils affinaient leur procédé et apportaient un nouveau lot. »
Holcombe a ajouté que la stabilisation — le traitement thermique et à l’oxygène qui empêche les fibres de se déformer lors du traitement à haute température — était un autre domaine d’intérêt important.
« Il y a eu beaucoup de travail sur l’étape de stabilisation », a affirmé Holcombe. « L’équipe de Nidia a examiné différentes rampes de température et approches pour essayer de réduire le temps et améliorer la constance. Ce genre de travail détaillé est vraiment important lorsque l’on cherche à fabriquer un produit commercialement viable. »
Les contributeurs comprenaient Chris Janke et les anciens collaborateurs Ryan Paul et Justin Fink.
Mise à l’échelle au Carbon Fiber Technology Facility (CFTF) du Département de l’Énergie
À mesure que les matériaux mûrissaient, le partenariat s’est étendu au CFTF, où Merlin Theodore et son équipe ont soutenu des essais à l’échelle pilote et aidé ACP à évaluer les performances du procédé dans un environnement pertinent pour la fabrication.
Le CFTF fournit une infrastructure de fabrication à l’échelle pilote qui fait le pont entre la recherche en laboratoire et la production commerciale. Sa ligne de filage à l’état fondu, d’une capacité allant jusqu’à 65 tonnes par an pour la production de fibres précurseurs, permet aux entreprises de tester des matériaux et des procédés à une échelle pertinente pour l’industrie et de générer les données nécessaires pour soutenir la commercialisation.
« La partie la plus difficile du développement de tout procédé chimique avancé est de franchir la bosse de la commercialisation », a déclaré Holcombe. « Vous devez montrer que vous pouvez fabriquer le produit à plus grande échelle et générer les données nécessaires pour justifier un investissement en capital important. Le CFTF nous a offert cette opportunité. »
Theodore a déclaré que c’est le genre de partenariat qui motive l’équipe du CFTF.
« C’est profondément gratifiant de travailler côte à côte avec des partenaires industriels et de les aider à passer d’idées prometteuses à de réelles décisions de fabrication », a affirmé Theodore. « Lorsque ces progrès contribuent à de nouvelles installations et à des emplois dans les communautés rurales, cela renforce l’importance de la capacité de R&D appliquée de l’ORNL. »
Holcombe a souligné la valeur de la perspective intégrée de bout en bout du CFTF.
« Le CFTF ne consiste pas seulement à fabriquer de la fibre », a-t-il déclaré. « C’est tout le système en aval — stabilisation, coupe, manipulation. Pouvoir envisager l’ensemble de la chaîne est très précieux lors de la conception d’une installation commerciale. »
Les principaux contributeurs à l’effort du CFTF comprenaient Theodore, Daniel Webb, Jason Newport, Dexter Nelson et Sefa Yilmaz.
Des matériaux pour l’énergie, l’industrie et au-delà
Les matériaux à base de brai peuvent servir plusieurs marchés, notamment les batteries lithium-ion, les composites en fibre de carbone et les systèmes carbone/carbone à haute température. Le brai mésophase peut être converti en graphite synthétique et utilisé dans une gamme d’applications avancées.
« Le marché des batteries a connu une accélération rapide », a déclaré Holcombe. « Le brai mésophase peut être converti en graphite pour ce secteur, et cette demande est là maintenant. En même temps, nous continuons à voir des opportunités à long terme dans la fibre de carbone. »
Le travail de l’ORNL a été soutenu par le Critical Minerals and Energy Innovation Office du DOE, notamment l’Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office (AMMTO) et le Transportation Technologies Office (TTO), qui investissent dans la recherche et les capacités à l’échelle pilote pour renforcer la fabrication nationale et la résilience de la chaîne d’approvisionnement.
« Des installations comme le CFTF permettent aux entreprises de faire sortir leurs idées novatrices du laboratoire pour les amener dans la fabrication réelle — réduisant les risques afin que l’industrie puisse construire de nouvelles usines, créer des emplois et renforcer nos chaînes d’approvisionnement nationales », a déclaré Diana Bauer, directrice de l’AMMTO. « C’est ainsi que la R&D se traduit en un impact commercial tangible et aide les fabricants américains à être compétitifs dans des secteurs stratégiquement importants. »
« Grâce à nos partenariats avec l’industrie et les laboratoires nationaux, le DOE soutient la recherche et les capacités à l’échelle pilote comme le Carbon Fiber Technology Facility qui aident à commercialiser des matériaux de véhicules haute performance tout en maintenant la fabrication sur le sol américain », a déclaré Austin Brown, directeur du TTO. « L’utilisation de matériaux à base de brai peut changer la donne pour l’industrie, et nous sommes fiers de faire partie du parcours d’ACP vers la commercialisation. »
Theodore a déclaré que l’impact plus large est un élément clé du travail.
« Lorsque nous aidons des partenaires à établir des chaînes d’approvisionnement nationales, nous aidons également les communautés à concourir pour de nouvelles opportunités de fabrication », a-t-elle déclaré. « C’est le véritable gain — transformer les investissements du DOE en valeur économique durable. »
Source : DOE / Oak Ridge
