République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Batna 2 – Mostefa Ben Boulaïd Faculté de Technologie Département de Génie Mécanique Filière Aéronautique INTERES DES MATERIAUX COMPOSITE DANS LE DOMAINE D’AERONAUTIQUE Réalisé par : SENGOUGA MAHIEDDINE 1- Introduction générale Les besoins toujours sévères dans le milieu aéronautique, aussi bien en termes de sécurité qu’en termes de maîtrise de consommation énergétique, ont incité les grands constructeurs des aéronefs à développer des structures légères présentant une meilleure résistance mécanique et une bonne rigidité. Les matériaux composites, grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, leur légèreté, la bonne résistance chimique, la meilleure tenue en fatigue et la souplesse de mis en forme offrent les meilleurs compromis dans le secteur aéronautique. Les matériaux composites sont très implantes dans tous les secteurs de l’industrie aéronautique, que ce soit dans la construction d’avions civils ou militaires .Ils sont obtenus par association de deux ou plusieurs matériaux d’aspect et de composition différente. La combinaison de ces constituants forme un produit aux propriétés et performances spécifiques élevées. Les composites permettent la réalisation de pièces légères, présentant des caractères d’anti corrosion et d’isolation thermique et électrique. Cependant les matériaux composites de par leur fragilités sont très sensibles à certaines efforts dynamiques notamment les efforts d’impacts qui sont présents que ce soit en service ou en fonctionnement. Contrairement aux matériaux métalliques les fissures provenant de ces efforts sont partiellement invisibles. Le développement de méthodes non destructives pour la détection de ces défauts s’avère très important. En effet, parmi les difficultés associées à l’usage des matériaux composites, la mesure des propriétés mécaniques (modules élastiques et résistances ultimes dans toutes les directions) est certainement la plus fondamentale. Ces données sont employées aussi bien dans les calculs d’éléments finis que dans les critères de rupture. Plus spécifiquement, la mesure des propriétés mécaniques en tension dans le sens des fibres est souvent la donnée sur laquelle le designer détermine l’épaisseur d’une pièce. En effet, les pièces fabriquées de matériaux composites sont souvent élaborées de manière à ce que les fibres soient orientées selon les directions les plus sollicitées. Par conséquent, les méthodes permettant la mesure de ces propriétés doivent être les plus justes et fidèles possible pour permettre un design efficace. Comprendre les phénomènes liés à l’endommagement et pouvoir identifié les mécanismes du comportement mécanique des fibres de carbone liés à la résine époxy sont essentiels pour la conception et le développement des structures composites multifonctionnelles soumises aux différent type de sollicitation et cela pendant toute leurs durée de vie. C’est dans ce contexte d’exploitation que nous nous proposons de réaliser et caractériser deux types de matériaux composites à renfort fibre en carbone. Les pièces structurelles sont réalisées par empilement de nappes en optimisant les directions des renforts en fonction des charges qu’elles doivent subir. La nature de la résine ou du renfort est choisi selon les normes des constructeurs (Airbus et Boeing). 2 - Définition : Un matériau composite est un matériau qui est constitué d’au moins deux matériaux de nature différente. Lorsque l’on combine deux matériaux ou plus, on obtient un matériau plus performant car ce dernier possède les propriétés de l’ensemble des matériaux utilisés. Le choix des matériaux se fait en fonction des propriétés recherchées, selon si l’on souhaite avoir un matériau plus ou moins résistant aux chocs ou à la chaleur, imperméable ou encore durable. 3 - Caractéristiques générales Les matériaux composites offrent une combinaison de caractéristiques générales comparable ou supérieure à celle de nombreux matériaux métalliques ou traditionnels. En effet, en raison de leur faible densité, les rapports résistance / poids et module-poids de ces matériaux composites sont nettement supérieurs à ceux des matériaux métalliques. La phase discontinue (le renfort) est habituellement plus dure avec des propriétés mécaniques supérieures à celles de la phase continue (la matrice). En outre, la résistance à la fatigue et la tolérance à la fatigue de nombreux stratifiés composites sont excellentes. Les propriétés des matériaux composites dépendent de beaucoup de facteurs et sont différentes selon les divers types de matériaux composites, ces propriétés résultent de : Des propriétés, de la nature et de la quantité des matériaux constitutifs. Des constituants, de la géométrie et de la distribution du renfort. De leurs interactions, de la nature de l'interface matrice-renfort, etc. Les principales caractéristiques des pièces fabriquées en matériaux composites sont : La légèreté et le gain de masse. La bonne tenue en fatigue (durée de vie augmentée). L'absence de corrosion. L'absence de plasticité (leur limite élastique correspond à la limite de rupture). Le vieillissement sous l'action de l'humidité et de la chaleur. L'insensibilité à certains produits chimiques courants (solvants, peinture, huiles, Pétroles,...). Tenue aux impacts et aux chocs très moyenne. Très forte anisotropie 4 - La composition des matériaux composites Un matériau composite se compose de la façon suivante : matrice ou résine + renfort 5 - Utilisation des matériaux composites: Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie aéronautique et ils ont permis aux ingénieurs de surmonter les obstacles rencontrés lors de l'utilisation individuelle des matériaux. Les matériaux constitutifs conservent leur identité dans les matériaux composites et ne fusionnent pas complètement l'un dans l'autre. Ensemble, les matériaux créent un matériau « hybride » qui améliore ses ثpropriétés structurelles. Les matériaux composites courants utilisés dans les avions comprennent la fibre de verre, la fibre de carbone et les systèmes matriciels renforcés de fibers ou toute combinaison de l'un de ceux-ci. De tous ces matériaux, la fibre de verre est le matériau composite le plus courant et il était largement utilisé dans les bateaux et les automobiles dans les années 1950. Selon l'Agence fédérale de l'aviation, le matériau composite existe depuis la Seconde Guerre mondiale. Au fil des ans, cette combinaison unique de matériaux est devenue de plus en plus populaire et se retrouve aujourd'hui dans de nombreux types d'avions, ainsi que dans les planeurs. Les cellules sont généralement constituées de 50 à 70 % de matériaux composites. Bien que les composés continuent d'être utilisés très fréquemment dans l'industrie aéronautique en raison de leurs nombreux avantages, certains affirment que ces matériaux présentent également un risque pour la sécurité aérienne. Nous pesons la balance et évaluons les avantages et les inconvénients de ces matériaux. 6 -Avantages : La réduction de poids est le principal avantage de l'utilisation de matériaux composites et constitue le principal facteur de leur utilisation dans les cellules. Les systèmes de réseaux renforcés de fibres sont plus résistants que l'aluminium conventionnel que l'on trouve dans la plupart des avions, offrent une surface lisse et augmentent le rendement énergétique, ce qui est un énorme avantage. De plus, les matériaux composites ne se corrodent pas aussi facilement que d'autres types de structures. Ils ne se séparent pas de la fatigue du métal et résistent bien aux environnements de flexion structurelle. Les conceptions composites durent également plus longtemps que l'aluminium, ce qui signifie des coûts d'entretien et de réparation inférieurs. 7 - Points négatifs : Étant donné que les composites ne se cassent pas facilement, il est donc difficile de dire si la structure interne a été endommagée, ce qui est bien sûr l'inconvénient le plus courant de l'utilisation d'un composite. En revanche, comme l'aluminium se plie et se raye facilement, les dommages structurels sont très faciles à détecter. De plus, les réparations peuvent être plus difficiles lorsqu'un pont composite est endommagé, ce qui finit par devenir coûteux. La résine utilisée dans les composites se ramollit à des températures aussi basses que 150 degrés, ce qui oblige ces avions à prendre des précautions supplémentaires pour éviter les incendies. Les incendies liés aux matériaux composites peuvent libérer des fumées toxiques et des particules fines dans l'air, entraînant des risques pour la santé. Des températures supérieures à 300 degrés peuvent provoquer une défaillance structurelle. Les matériaux composites peuvent être coûteux, bien que l'on puisse affirmer que les coûts initiaux élevés sont généralement compensés par des économies de coûts à long terme. En raison des exigences de haute performance des avions de pointe modernes, l'application des matériaux composites dans le domaine de l'aviation a progressé à pas de géant. Surtout en 2005, la technologie mondiale de vol composite a fait de grands progrès. Pour les structures qui nécessitent un rapport résistance/masse élevé et un rapport rigidité/masse élevé, les matériaux composites sont les matériaux les plus idéaux. Les cellules et les navettes spatiales sont des modèles typiques sensibles à la masse. 8 - L'application de matériaux composites: Elle présente les avantages de réduire le poids de la cellule de 10 à 40 % et de réduire les coûts de conception structurelle de 15 à 30 %. Face aux prix élevés du carburant et aux normes d'émissions polluantes de plus en plus strictes, les avantages des matériaux composites permettant de réduire le poids des avions sont particulièrement importants. Les fibres les plus couramment utilisées dans les composites avancés sont le carbone, le graphite, l'aramide et le bore. Parmi eux, la fibre de carbone est fabriquée par pyrolyse de matières organiques telles que la rayonne, le polyacrylonitrile ou le film de pétrole. En général, lorsque le module d'élasticité de ces fibres augmente, la résistance à la traction diminue. Dans ce type de fibre, la fibre de carbone est le matériau fibreux le plus polyvalent dans les renforts avancés, et est le plus largement utilisé dans les avions et les navettes spatiales, notamment en tant que ruban unidirectionnel ou produit tissé. Un grand nombre de produits sont disponibles pour couper des matériaux et des configurations qui conviennent presque à divers usages. Les composites avancés et les matériaux d'âme utilisés pour lier le renforcement des fibres sont aussi divers que les types de fibres de renforcement. Des matériaux de base en résine, en plastique, en métal et en céramique peuvent être utilisés comme matériaux de base. Maintenant, la résine époxy est la principale matrice de composé thermodurcissable utilisée dans la structure des avions et le domaine aérospatial. Pour tous les matériaux thermodurcissables, changez dans le temps, la température et la pression pour aligner les fibres de renfort selon la direction de la charge attendue pour répondre aux exigences de la structure compacte et du faible vide. Un facteur important dans la détermination des propriétés des matériaux est la détermination de la partie de la matrice qui lie les fibres entre elles. Les composants du corps sont sélectionnés, le cycle de durcissement est sélectionné et les effets tels que le fluage, la résistance à la compression, la résistance à la chaleur, la sensibilité à l'humidité, la sensibilité aux UV, etc., affecteront la stabilité à long terme du composé. Les principaux avantages de la matrice en résine thermoplastique par rapport à la matrice en résine thermoplastique sont : une température d'utilisation plus élevée, un cycle de production court, aucun besoin de refroidissement, une durabilité accrue, une faible sensibilité à l'humidité et aucun besoin de traitement chimique. Les propriétés du substrat peuvent également être modifiées lorsqu'il est placé dans l'eau. La matrice diffère des fibres (à l'exception de l'aramide). Après avoir absorbé l'eau, les propriétés mécaniques de la matrice sont considérablement réduites, en particulier lorsqu'elles sont exposées à l'humidité et à des températures élevées. Pour la cellule, en raison de changements environnementaux sévères, il est nécessaire de prendre en compte les conséquences des performances mécaniques réduites causées par l'absorption d'humidité dans la conception. Kevlar (aramide) est un nom de marque pour une fibre organique synthétique. La densité de l'aramide est de 0,0275 kg/cm3, ce qui rend sa résistance à la traction supérieure à celle du bore ou de la plupart des fibres de carbone. Par rapport à d'autres matériaux composites tels que le carbone et le bore, la résistance à la compression de l'aramide est médiocre. Cette propriété inhérente à l'aramide est due à l'expansion et à la relaxation des fibres internes. Cependant, comparé à d'autres matériaux composites, l'aramide est plus résistant à la destruction. Les fibres d'aramide absorbant l'eau, elles doivent être prises en compte dans la conception. Les matériaux composites avancés hautes performances utilisent souvent une dureté critique. Par conséquent, lors du développement de nouveaux matériaux composites, la tendance est de maximiser le module longitudinal tout en maintenant la résistance, la ténacité aux chocs, la rupture sous contrainte et la ténacité à la rupture à des niveaux acceptables. Étant donné que les propriétés de traction sont les avantages des fibres, les fibres peuvent être sélectionnées en fonction de l'application. Les propriétés de compression du panneau stratifié sont liées à la fibre et à la matrice. Lorsque le module de compression n'a rien à voir avec les fibres, la résistance à la compression doit être déterminée par le module de cisaillement de la matrice pure. Mais pour les matériaux homogènes, le module de cisaillement de la matrice pure est lié au module de traction de la matrice. Par conséquent, lorsque la résistance de la matrice est relativement élevée, il est nécessaire d'empêcher ou de réduire la fragmentation du matériau composite dans la couche de tissu dans les conditions d'impact, et de s'assurer que la performance tangentielle est qualifiée. La ténacité à la rupture est essentielle pour que la matrice minimise la propagation des fissures et des défauts, en particulier pour les interfaces à emboîtement. Le maintien de la résistance à la compression et de la résistance à la compression après impact est une caractéristique importante des matériaux composites haute performance. Bien que l'anti-vandalisme soit essentiel, il faut souligner que la sécurité des dommages reste la plus cruciale. Par conséquent, afin d'empêcher les fissures d'impact dues à une décharge excessive et à une expansion, les matériaux composites utilisés dans la cellule doivent avoir une résistance à la rupture entre les couches suffisante. Paramètres matriciels entièrement optimisés, en se concentrant sur les données empiriques pour les maillons faibles : examinez les critères de conception pour les signes les plus graves de dégradation des performances, les limites de la technologie de traitement et estimez la relation entre les propriétés nettes de la matrice et celles du matériau composite. Les premières expériences ont prouvé que par rapport à la structure aluminium-titane, les matériaux composites peuvent réduire la masse totale de 25 à 35 %. De plus, la réduction du nombre de pièces est le principal attrait des matériaux composites dans une variété d'applications. Les obstacles à l'adoption généralisée des matériaux composites sont le prix élevé par rapport à l'aluminium, la forte intensité de main-d'œuvre du processus de fabrication requis et le coût d'investissement élevé de l'achat d'une nouvelle génération d'équipements de production connexes. Cependant, l'intensité du travail et de la production est élevée, ce qui peut être résolu par le développement de la principale technologie des matériaux composites, à savoir l'automatisation des processus de production et de fabrication. Les métaux sont isotropes, tandis que les composites sont anisotropes. Bien que la monocouche ait une résistance et une ténacité élevées dans la direction axiale, elle a des propriétés très faibles dans la direction transversale. La projection orthogonale basée sur la charge et les exigences fonctionnelles permet aux matériaux composites d'atteindre et de dépasser les propriétés des métaux. Cependant, les composites peuvent également être empilés pour être quasi-isotropes (avec des propriétés presque isotropes). 4. CONCLUSION Aujourd’hui, les matériaux composites sont arrivés à un degré d’utilisation tel qu’il ne serait plus possible de se passer de cette famille de matériaux sur les applications aéronautiques. Leur introduction a été facilitée durant ces vingt dernières années par une réduction importante constante des coûts sur les matériaux de base. Les fibres de carbone haute résistance classiques, dans les années 1970, étaient proposées à des prix de l’ordre de 300 €/kg alors que dans les années 2000, ce même type de fibre de qualité aéronautique est proposé à des prix de l’ordre de 30 €/kg. Pour des fibres de carbone dites non aéronautique mais avec des propriétés voisines, le prix est même de l’ordre de 15 €/kg. Les progrès des procédés de fabrication ont aussi permis de réduire les coûts avec notamment l’introduction de moyens de mise en œuvre automatique comme les machines à draper ou les machines à bobiner ou à placement de fibres. L’introduction de méthodes de fabrication basées sur l’injection ou l’infiltration de résine dans des préformes fibreuses permettent également la réduction des coûts. Les matériaux composites sont une source constante d’amélioration des performances des structures aéronautiques dans un domaine où le gain de masse peut se traduire directement par une augmentation des performances que ce soit pour les avions civils ou militaires, les hélicoptères, les missiles ou les satellites. L’augmentation du taux de matériau composite sur les structures est limitée aujourd’hui par la difficulté et le coût de réalisation des pièces de grande taille .
