Leah Shaffer
La fibre de carbone est un composant essentiel de la construction automobile, de l’ingénierie aérospatiale et des infrastructures énergétiques, mais elle repose principalement sur des produits dérivés du pétrole, qui peuvent être coûteux et contribuent aux émissions de carbone. Et si la fibre de carbone était fabriquée à partir d’un déchet gratuit et se révélait aussi résistante — voire plus résistante — que les produits pétrochimiques ? Les ingénieurs de l’université Washington à Saint-Louis dévoilent cette perspective dans des recherches récemment publiées dans la revue Matter.
« Pour la première fois, cela nous permet de créer une fibre de carbone renouvelable atteignant le haut niveau de qualité utilisé dans la construction automobile », explique Joshua Yuan, professeur Lucy & Stanley Lopata et président du département de génie énergétique, environnemental et chimique de WashU McKelvey Engineering. Yuan est également directeur du Carbon Utilization Redesign for Biomanufacturing (CURB) Engineering Research Center de la National Science Foundation (NSF) à WashU.
La clé de ce travail réside dans l’utilisation d’un déchet appelé lignine, le deuxième biopolymère naturel le plus abondant sur Terre. La lignine est produite comme sous-produit des industries de la pâte à papier et du bioraffinage, et les méthodes ordinaires d’élimination de la lignine laissent une empreinte environnementale considérable.
Les ingénieurs de WashU ont voulu déterminer s’ils pouvaient utiliser la lignine pour améliorer les méthodes de production de la fibre de carbone. Ce matériau artificiel est traditionnellement fabriqué à partir de polyacrylonitrile (PAN) synthétique, un produit dérivé du pétrole qui est mélangé à des produits chimiques, filé à travers de minuscules buses pour former des fibres, puis lavé et étiré. Ce type de procédé de production de fibre de carbone est appelé « filage humide ». Cependant, le PAN n’est pas bon marché : il représente jusqu’à 50 % du coût total de fabrication des fibres de carbone, ce qui limite son utilisation aux produits haut de gamme, note Yuan.
En ajoutant au procédé de la lignine, abondante et abordable, l’équipe de WashU a découvert qu’elle pouvait réduire de moitié l’utilisation de PAN, diminuer les coûts de production de 25 % et réduire considérablement les émissions de carbone. Mais le nouveau produit en fibre de carbone ainsi créé devait encore répondre aux normes de résistance à la traction et de module élastique de l’industrie automobile.
Les chercheurs ont donc également mis au point un autre procédé inédit qui améliore grandement les performances. Ce procédé consiste à introduire des nanotubes de carbone monocouche dans la matrice polymère, agissant presque comme des barres d’armature pour aligner la chimie de la cristallisation. Cette innovation a révélé un nouveau principe de conception pour le développement des matériaux carbonés.
« L’alignement de la cristallisation est essentiel pour la qualité de la fibre de carbone », souligne Yuan.
Les nanotubes de carbone ont permis aux chercheurs de préparer une solution précurseur de lignine et de PAN. Cette solution a ensuite été extrudée sous forme de fibre pour le procédé de production par filage humide, puis soumise à un traitement thermique supplémentaire pour renforcer le produit.
Weiwei Li, chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Yuan et première auteure de l’étude, décrit leur recherche comme une innovation en trois étapes.
La première étape consistait à créer ce modèle de nanotubes capable de bien se mélanger à la lignine et au PAN et permettant une cristallisation ou une orientation élevée, explique Li. La deuxième étape consiste à faire passer cette solution précurseur par un filage humide et un traitement thermique assisté par tension. Enfin, une passe de carbonisation optimisée renforce entièrement la fibre. Ces trois étapes maximisent ensemble la teneur en cristallites, tandis que les nanotubes de carbone guident l’orientation des cristallites pour créer des effets d’armature aux propriétés mécaniques exceptionnelles.
« Tout cela, combiné, nous permet de créer une fibre de carbone renouvelable à base de lignine dotée d’une structure cristalline hautement alignée », affirme Yuan.
L’industrie automobile n’est que la porte d’entrée des marchés de la fibre de carbone optimisée ; ce matériau est utilisé dans de nombreux secteurs, des équipements sportifs aux éoliennes.
« La fibre de carbone renforce les plastiques et présente un éventail d’applications très large », conclut Yuan.
Li W, Hu C, Zhu T, Chen Y, Zhang R, Jiang P, Dhatt PS, Li J, Xiang S, Liu M, Fei CJ, Liu J, Dai SY, Yuan JS. Transforming renewable carbon fiber performance, economics, and sustainability via oriented crystallization design, Matter, 2026, 103001. DOI : https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.103001
Ces recherches ont bénéficié du soutien de la chaire Lucy & Stanley Lopata et des projets DE EE 0008250 du ministère américain de l’Énergie. Un soutien supplémentaire a été apporté par l’Institute for Materials Science and Engineering (IMSE) et le Chemical and Environmental Analysis Facility (CEAF) de WashU ainsi que par le centre de recherche en ingénierie CURB de la NSF (NSF EEC 2330245).
Source : Washington University in St. Louis
