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Concevoir en intégrant le vieillissement

Concevoir en intégrant le vieillissement

PHILIPPE CASTAING RESPONSABLE DES POLYMÈRES COMPOSITES AU CETIM DE LA JONELIÈRE (LOIRE-ATLANTIQUE)

© D.R.

Pour continuer à gagner du terrain, les composites doivent donner des gages sur leur comportement à long terme. Du fait de la relative jeunesse de cette activité industrielle, les informations manquent en effet sur le devenir des pièces. Les constructeurs planchent sur les technologies permettant de maîtriser et de prédire leur usure.

Comment vieillit un composite ? La réponse à cette question conditionne l'adoption dans de nombreux secteurs industriels de ces matériaux associant une matrice en résine, métal ou céramique et un renfort réparti au sein de celle-ci. Or à l'échelle de l'histoire des matériaux, les composites, hors bois et béton, sont relativement jeunes. Trente à quarante ans au plus. « Les premières voilures en structure époxyde-carbone ont été utilisées sur des avions ATR 72 au milieu des années 1980 ; les premières dérives sur Mirage 2 000 aussi. Elles sont toujours en service », rappelle Pascal Dublineau, expert senior au service Matériaux et procédés de la recherche et technologie d'Airbus et directeur des programmes de recherche de l'Institut de recherche technologique Jules Verne de Nantes. D'où la difficulté de donner des gages sur leur devenir à long terme. Comme tous les matériaux, les composites éprouvent les effets du vieillissement : fatigue mécanique, agressions chimiques et diverses attaques environnementales, telles que les variations de température, l'humidité ambiante et les rayonnements, notamment ultraviolets. Par exemple, un avion subit en peu de temps une variation de température de + 80 °C sur le tarmac à - 50 °C en altitude. L'aéronautique et le spatial, pionniers de l'industrie des matériaux composites modernes, fournissent d'ailleurs des renseignements précieux sur la résistance à l'usure. Ils font par ailleurs partie des secteurs les plus en pointe dans la mise au point de formulations et de procédés de fabrication garantissant la tenue dans le temps des pièces en composite.

 

Des pièces tissées en trois dimensions ultrarésistantes

 

Exemple : une innovation portée par Safran avec l'un de ses fournisseurs, Albany. L'Américain a créé une machine à Rochester, aux États-Unis, capable de produire des pièces en composite tissées en trois dimensions, pour les moteurs d'Airbus A320 NEO et de Boeing 737. Le tissage de fibres de carbone en largeur, longueur et hauteur, permet d'obtenir des produits ultrarésistants, dont la forme et l'épaisseur peuvent en outre être calibrées en fonction de l'utilisation finale. Opter pour des aubes en fibres de carbone tissées plutôt que pour leur équivalent métallique permettra d'alléger le poids d'un avion de 450 kg ! Une cure minceur qui générera à elle seule 15 % d'économies de carburant.

Outre les procédés de fabrication, l'innovation porte aussi sur la formulation. Les composites à matrice organique, les plus utilisés dans l'aéronautique et le spatial, privilégient un squelette en fibres de carbone et une matrice thermodurcissable (résine d'époxyde) ou thermoplastique (comme le polyétheréthercétone, le polysulfure de phénylène et le polyéther imide). Le choix de la résine conditionne le comportement dans le temps du matériau. L'emploi de la triazine-cyanate-époxyde, plus résistante que les époxydes, s'est ainsi imposé pour résister aux rayonnements cosmiques qu'essuient les satellites en position géostationnaire à 36 000 km de la Terre.

 

Des agressions chimiques et mécaniques

 

Autre facteur d'usure pour les matériaux composites : l'humidité. L'expérience a montré que ces matériaux récupèrent de 0,5 à 1 % de leur poids en eau. L'eau absorbée par le composite modifie sa résistance, par un effet de plastification. Cette chute de performance est naturellement prise en compte dans le calcul de dimensionnement des structures composites sollicitées mécaniquement.

Pascal Dublineau classe ainsi les facteurs de nocivité, du plus faible au plus élevé : « Les rayonnements terrestres influent peu car la nature des époxydes offre une excellente résistance aux ultraviolets, explique-t-il. Suivent les agressions chimiques auxquelles l'époxyde, encore lui, résiste très bien. En troisième position, viennent les variations de température et l'humidité. Enfin, la fatigue mécanique clôt notre classement. In fine, plus que l'action de tel ou tel phénomène, ce sont leurs interactions qui mettent à rude épreuve les composites à matrice organique. Le temps d'exposition à ces différents facteurs joue aussi un rôle important ».

 

Simuler les phénomènes qui participent à leur usure

 

Outre les efforts visant à allonger leur durée de vie et la tenue dans le temps de leurs performances, les composites suscitent de nombreux travaux visant à prédire leur durée de vie et leur évolution. Un soin particulier a été porté aux pièces de structure vitales. Leurs performances ne doivent effectivement surtout pas régresser pendant la durée de service des aéronefs qui en sont équipés. « Le facteur vieillissement est pris en compte dès la conception des produits que les matériaux composites serviront », souligne Pascal Dublineau. Or un avion effectue en moyenne 60 000 cycles de décollage-atterrissage au cours de sa vie. « Lors de nos tests en laboratoire de vieillissement accéléré, nous avons découvert que les matériaux composites perdent de 10 % à 15 % de leurs caractéristiques au cours de leur vie. Puisque nous le savions, nous avons donc surdimensionné les matériaux considérés, pour qu'ils conservent les qualités exigées jusqu'à la fin de vie de l'avion », explique Pascal Dublineau.

In fine, la meilleure façon de lutter contre le vieillissement des matériaux composites est la simulation des phénomènes qui participent à leur usure. Véritable objectif : établir des lois de comportement qui faciliteront la détection de points critiques, comme les seuils de rupture, et, plus globalement, le travail de conception des pièces qui équiperont avions et satellites. De nouvelles techniques d'analyses et les progrès technologiques de certains outils d'observations ont aidé les professionnels en ce sens.

Pascal Dublineau cite en exemple l'évolution de caractérisation physico-chimique : « l'analyse physico-chimique de matériaux à l'état solide permet d'identifier finement la compréhension des phénomènes de dégradations moléculaires et/ou des chaînes moléculaires. Cet incontestable progrès permet de formuler de meilleures résines. » Un progrès dû en grande partie à l'extension de l'usage d'équipements à résonance magnétique nucléaire, autrefois réservés à la médecine. De même, la finesse optique des microscopes à balayage permet de voir jusqu'aux liaisons atomiques. Ces nouvelles puissances - associées à des sondes d'analyse chimique de surface (inter et intramoléculaires) - participent, depuis une quinzaine d'années, de la meilleure façon, à la prévention de l'altération au cours du temps des matériaux composites.

TROIS SOLUTIONS POUR ACCROÎTRE LA LONGÉVITÉ

1. RÉSINE HAUTE RÉSISTANCE Constituée de nanotubes de carbone dispersés au sein d'une résine polymère PEEK, cette feuille en composite développée par Thales accélère la dissipation de chaleur produite par un micro-processeur, pour en augmenter significativement la puissance ou la durée de vie. Le choix de la résine haute résistance de Victrex garantit la capacité de la pièce à résister à un environnement critique sans usure prématurée. 2. TRICOT RENFORCÉ Inventée par Snecma (groupe Safran), la technique du « tissé 3D », ou Resin Transfer Molding, renforce la structure dans toutes les dimensions via un tissage des fibres de carbone dans l'axe d'empilage des plis. On obtient ainsi une préforme, placée dans un moule métallique puis injectée avec de la résine. Les pièces ainsi produites sont à la fois très résistantes et très légères. Une usine jumelle de celle qui fonctionne déjà depuis peu aux États-Unis verra le jour en France en 2015. 3. CAPTEURS ANTISTRESS Spécialiste de la pultrusion de tubes et profilés en composites, la société Icco participe au projet Decid2. Son objet ? La mise au point de matériaux « intelligents ». L'expérience phare en cours consiste à insérer dans une passerelle, faite de composites et de fibres de verre, des capteurs ultrasoniques et de la fibre optique, capables de contrôler l'état de déformation à l'intérieur de l'objet, en amont de toute rupture.

PHILIPPE CASTAING RESPONSABLE DES POLYMÈRES COMPOSITES AU CETIM DE LA JONELIÈRE (LOIRE-ATLANTIQUE) « Faire évoluer les formulations en même temps que la fabrication »

« L'évolution des formulations a permis une nette amélioration de la résistance au vieillissement des matériaux composites, en termes de durabilité. Mais l'effort a porté également sur de nouvelles méthodes de fabrication, comme l'utilisation des procédés en moule fermé, ou l'infusion pour les composites à base de résines polyesters insaturés et époxydes, associée à une démarche qualité rigoureuse - moins d'humidité dans l'air ambiant de l'atelier, optimisation de la cuisson, etc. Une double démarche qui a donné de très bons résultats. Cette amélioration continue est aussi passée par une meilleure formation des opérateurs au cours des dernières décennies. »

Des composites capables d'autodiagnostic

Une passerelle en composite intégrant des capteurs susceptibles d'effectuer un diagnostic structurel en continu est réalisée par le groupe normand Icco Composites. Effectué dans le cadre du projet Decid2, il vise à mettre au point des composites intelligents. Pour en savoir plus, retrouvez notre article sur le sujet sur le site d'Industrie et Technologies.

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