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  • Les composites : des matriaux d'avenir

    Partie 10 : Les composites dans

    laronautique

    Abstract Les composites dorigine naturelle sont utiliss depuis les dbuts de laronautique en raison de leur lgret. Actuellement, lutilisation de composites matrice organique rsulte du souci constant dconomie de carburant, donc dnergie fossile. Nanmoins, la lgret ne peut tre obtenue aux dpens des autres proprits. Sur le plan mcanique, le rapport entre les proprits et la masse spcifique permet de comparer les matriaux entre eux, et cette comparaison est favorable aux composites. La rsistance aux chocs (oiseaux) et les proprits lectriques (foudre) sont dautres proprits optimiser pour les matriaux de structure, en particulier pour les composites polymre-carbone. Lutilisation des matriaux composites est gnrale dans les pices secondaires (bords dattaque, flaps,) et elle stend aux pices de structure primaire comme le fuselage. Mme pour les moteurs, les constructeurs se tournent maintenant vers les composites matrice organique (dont les thermoplastiques) pour les pices qui ne sont pas soumises de trop hautes tempratures. Les techniques de mise en uvre des composites sont gnralement des techniques sous pression et/ou hautes tempratures (compression, (SQ)RTM, ATL, AFP, etc.) pour les rsines thermodurcissables, et linjection pour les thermoplastiques. Pour le futur, les nanocomposites et les matriaux hybrides multifonctionnels ouvrent de nouvelles perspectives. Historique

    Depuis les dbuts de laviation, cest dire du vol dengins plus lourds que lair , tous les constructeurs ont cherch rduire le poids de leurs engins au minimum. Celui qui est reconnu comme un des pres de laviation (et qui inventa, dailleurs, le mot avion ) Clment Ader (1841-1925)construisit en 1890 son premier aroplane (baptis Eole ) quip dun moteur vapeur, dune hlice en bambou, et dailes mobiles en toile, sans dpasser un poids total de 295kg. Dj ses dbuts, laviation faisait donc usage de composites (naturels). En 1903, les frres Orville et Wilbur Wright, modifirent un planeur en lquipant dun moteur dautomobile lger. Ils firent ainsi voler un aroplane baptis Flyer dont les caractristiques sont reprises au tableau 1 :

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  • Flyer(Orville et Wilbur Wright) Caractristiques

    Premier vol 17 dcembre 1903 Moteur 1 Puissance 12CV (9kW) Envergure 12,29 m Longueur 6,43 m Hauteur 2,74 m Surface des ailes 47,5 m2 Masse vide 274 kg Masse maximum (avec 1 pilote)

    338 kg

    Vitesse maximale 43 km/h Tableau 1 : Photographie du Flyer des frres Wright et caractristiques techniques. Pour ces premiers avions , drivs des planeurs, le poids minimum a toujours t un souci majeur, en raison surtout, de la faible puissance des moteurs. La consommation en carburant est aussi directement lie la masse de lavion. La courbe de la figure 1 montre que, pour un avion de ligne, vitesse constante, la consommation de fuel est, une constante prs, une fonction du carr de la masse transporte.

    Figure 1: Consommation de carburant en fonction de la charge, pour un gros avion

    de transport naviguant vitesse constante.1

    Aprs une priode dnergie bon march , durant la priode 1955 1965, les crises ptrolires successives ont conduit, de nos jours, rduire drastiquement la consommation des avions. La figure 2 montre que les avions modernes consomment jusqu quatre fois moins dnergie par passager et par km quen 19602.

    1 http://www.aviation-history.com/theory/lift.htm 2 http://www.businessinsider.com/high-fuel-costs-help-boeing-and-airbus-2013-7

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  • Figure 2 : Consommation nergtique des avions des 1955 2015. Il est intressant de comparer le taux de composites utiliss dans la fabrication de la structure des appareils modernes (figure 3) et dobserver la corrlation entre ce taux et lconomie dnergie.

    Figure 3 : Part des composites dans la structure davions civils modernes.3 En rsum, en aviation plus encore que dans dautres domaines, la lgret est un paramtre essentiel pour diminuer la consommation dnergie, et, par consquent, diminuer les cots et limpact cologique. Matriaux de structure

    3 http://asso-acit.fr/wp-content/uploads/2013/07/GROUPE_HEXCEL_ACIT_20132.pdf

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  • Les matriaux utiliss pour raliser la structure des avions doivent non seulement tre lgers, mais ils doivent tre rigides, rsistants et rsilients (rsistants aux chocs). Le tableau 2 montre cependant que, gnralement, les mtaux les plus lgers sont aussi les moins rigides et les moins rsistants. Masse spcifique

    (kg/dm3) Rigidit E (GPa)

    Rsistance (MPa)

    Rigidit spcifique (E/)

    C (Diamant)

    3,5 1000 1050 285

    (CH2)n Polythylne

    0,95 1 10-50 1,05

    Aluminium (Al)

    2,7 72 200-550 26,6

    Titane (Ti)

    4,5 110 800-1200 24,4

    Acier (Fe)

    7,8 200 400-1800 25,6

    Tableau 2 : Masse spcifique, rigidit, rsistance en traction et rigidit spcifique de matriaux de structure.

    Fibre Ex-PAN4 Ex-Pitch5 Ultra-haute rsistance

    Haute rsistance

    Haut module Ultra-hautmodule

    Haute ductilit

    Rigidit E (GPa)

    291 221 521 940 41

    Rsistance (GPa)

    5,69 3,20 3,38 3,21 1,10

    Rigidit spcifique

    146 111 261 470 21

    Tableau 3 : Rigidit (en traction), rsistance en traction et rigidit spcifique de fibres de carbone lmentaires6 (masse spcifique : 2 kg/dm3). Pour concilier masse et rigidit, il convient cependant de travailler en grandeurs spcifiques, cest dire, masse spcifique gale. On obtient alors la quatrime colonne du tableau 2. On y observe que les mtaux usuels prsentent des rigidits spcifiques similaires, mais que le carbone(diamant) a une rigidit spcifique plus de dix fois suprieure celle des mtaux. Pour le carbone sp2 (fibres de carbone composes de plans de graphne) orientes dans le sens des liaisons C-C, les valeurs sont aussi trs leves comme le montre le tableau 3. La meilleure rigidit spcifique peut donc tre attendue de matriaux utilisant le carbone orient. Cest la base de lutilisation massive des composites base de fibres de carbone dans laviation.

    La rsistance aux chocs (rsilience) des matriaux de structure utiliss en aviation

    4 Fabrique partir de PolyAcryloNitrile (PAN) 5 Fabrique partir de brai (Pitch) 6 Naito K., Tanaka Y., Yang J.M., Kagawa Y., from : http://www.iccm-central.org/Proceedings/ICCM17proceedings

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  • est un paramtre important. En effet, aux vitesses auxquelles volent les avions actuels, le moindre objet peut provoquer des dgts parfois fatals (figure 4). Le cas le plus connu est celui des oiseaux qui heurtent les avions au dcollage ou latterrissage. La rsilience des composites poxy-carbone, largement infrieure celles des mtaux, est un problme qui fait actuellement lobjet de recherches. Une voie de solution consiste associer la rsilience des thermoplastiques la rigidit et la mise en uvre aise des thermodurcissables7,8.

    Figure 4 : Impact dun oiseau sur laile dun avion structure mtallique.

    Dautres proprits, comme la conductivit lectrique des structures sont de plus en plus importantes ds lors que la fraction de mtaux, bons conducteurs, diminue dans la structure. Ainsi la tenue des avions sous limpact dclairs est un problme dactualit avec les nouveaux matriaux composites moins conducteurs (figure 5). La rsistance aux impacts de la foudre tout en vitant, autant que possible, un surplus pondral, est un domaine qui ncessite encore des efforts de recherche. Les solutions proposes actuellement sont reprises au tableau 49.

    Solutions Aluminium Cuivre Bronze

    Grillage mtallique X X

    Mtal expans X X X

    Feuille mtallique X X

    Mtallisation X X X

    Tableau 4 : Solutions proposes pour la tenue la foudre des composites.

    7 PRIFORM de CYTEC https://www.cytec.com/businesses/aerospace-materials/brands/priform 8 SKYWIN, projet Plan Marshall , projets APC, ECOM, ECOTAC, ICOGEN http://www.skywin.be/?q=fr/projets-labelliss 9 Brchet Y., cit dans : Matriaux aronautiques daujourdhui et de demain . Acadmie Air espace, Dossier #39 juin 2014 (http://www.academie-air-espace.com/publi/newDetail.php?varID=235)

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    https://www.cytec.com/businesses/aerospace-materials/brands/priform

  • a)

    b)

    Figure 5 :a)rpartition de la charge lectrique dun clair sur un avion structure mtallique. b) trace dun impact de foudre ralise en laboratoire sur une structure composite10.

    Pices davions en composites

    Dans les avions de ligne modernes, la proportion de composites matrice organique (CMO) dans les pices de structure ne cesse daugmenter. Les bords dattaque des ailes, des ailerons et les flaps sont, depuis dj longtemps raliss en composites (Fig. 6).

    10 http://blog.dexmet.com/

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  • Figure 6 : Montage de laileron arrire du Boeing 787 Dreamliner

    Actuellement, cest la structure mme de lavion qui est concerne. Dans le BOEING 787 DREAMLINER, le fuselage lui-mme est ralis en grande partie en composites (Figure 7) Les constructeurs europens ne sont pas en reste, lAIRBUS A350, concurrent du BOEING 787 a lui-mme son fuselage ralis en composites (Figure 8).

    Figure 7 : Pice de fuselage du BOEING 787 Dreamliner

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  • Figure 8 : Pice de fuselage de lAirbus A350 Si les pices de structure sont ralises de plus en plus en composites matrice organique (CMO), les pices de moteur, soumises des tempratures leves ne peuvent, la plupart du temps tre ralises dans ce type de composite. Nanmoins, des composites matrice cramique (CMC) peuvent y tre utiliss. Des pices annexes du moteur, comme le compresseur basse pression (fig.9), peuvent tre ralises en composites, le plus souvent matrice t

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