Document sur les composites avancés (I) : Stratifiés, types de fibres et applications

Lstructure aminée

Les composites sont constitués d'une combinaison de matériaux mélangés pour obtenir des propriétés structurelles spécifiques. Les matériaux individuels ne se dissolvent pas ou ne fusionnent pas complètement dans le composite, mais ils agissent ensemble comme un tout. Souvent, les interfaces entre les composants peuvent être physiquement reconnues. Les propriétés d'un matériau composite sont supérieures aux propriétés des matériaux individuels qui le composent.

Un matériau composite avancé est constitué d'un matériau fibreux dissous dans une matrice de résine, généralement laminé par des fibres orientées en alternance pour conférer résistance et rigidité au matériau. Les matériaux fibreux ne sont pas courants ; le bois est le matériau structurel fibreux le plus courant connu de l'homme.

Les applications des composites dans les aéronefs comprennent

-Déflecteur

-Surfaces de contrôle de vol

- Trappes du train d'atterrissage

- Panneaux de bord d'attaque et de fuite d'aile et de stabilisateur

-Composants internes

- Poutres et panneaux de plancher

-Structures primaires de stabilisateurs verticaux et horizontaux pour gros avions

-Structures principales des ailes et du fuselage de la nouvelle génération de grands avions

- Pales de ventilateur de moteur à turbine

-Hélice

Principaux composants des stratifiés

Un matériau isotrope possède des propriétés uniformes dans toutes les directions (c'est-à-dire des propriétés isotropes du même matériau). Les propriétés mesurées des matériaux isotropes sont indépendantes de l'axe d'essai. L'aluminium et le titane, qui sont des matériaux métalliques, sont utilisés comme exemples pour illustrer l'illustration des matériaux isotropes.

Les fibres sont les principaux éléments porteurs des composites. Les composites ont une résistance et une rigidité uniquement dans la direction des fibres. Les composites unidirectionnels ont des propriétés mécaniques prédominantes dans une direction, appelée anisotropie, où les propriétés mécaniques ou physiques diffèrent de la direction de l'axe de référence naturel inhérent au matériau. Les composants fabriqués à partir de composites renforcés de fibres peuvent être conçus de manière à ce que l'orientation des fibres produise les meilleures propriétés mécaniques, mais ils ne peuvent approcher que les propriétés véritablement isotropes des métaux, tels que l'aluminium et le titane.

La matrice composite soutient les fibres et les lie dans le composite. La matrice transfère toutes les charges appliquées aux fibres, maintient les fibres dans leur position et leur orientation choisies, donne la résistance environnementale du composite et détermine la température de service maximale du composite.

Propriétés

Les propriétés structurelles des stratifiés composites, telles que la rigidité, la stabilité dimensionnelle et la résistance, dépendent de l'ordre d'empilement des couches. L'ordre d'empilement décrit la répartition des orientations de couches dans l'épaisseur du stratifié. Plus le nombre de couches avec des orientations sélectionnées augmente, plus d'ordres d'empilement sont possibles. Par exemple, un stratifié symétrique à huit couches avec quatre orientations de couches différentes a 24 ordres d'empilement différents.

Sens des fibres

La résistance et la rigidité d'un composite dépendent de l'ordre dans lequel les couches sont orientées. La résistance et la rigidité réelles des fibres de carbone varient de valeurs faibles à élevées, telles que celles fournies par les fibres de verre, à des valeurs élevées de résistance et de rigidité fournies par les fibres de titane. Cette plage de valeurs est déterminée par l'orientation du stratifié par rapport à la charge appliquée. Dans les composites avancés, une sélection appropriée de l'orientation des couches est nécessaire pour assurer une conception efficace de la structure. La pièce peut nécessiter des charges axiales réactives de pli de 0 degrés, des charges de cisaillement réactives de pli de ±45 degrés et des charges latérales réactives de pli de 90 degrés. Étant donné que les exigences de conception de résistance sont fonction de la direction des charges appliquées, l'orientation et la séquence des plis doivent être correctes. Pendant le processus de réparation, il est essentiel de remplacer chaque couche endommagée par une couche du même matériau et de la même orientation.

Les fibres d'un matériau monolithique se déplacent dans une seule direction, la résistance et la rigidité étant limitées à la direction des fibres. Les bandes préimprégnées (film préimprégné) sont un exemple d'orientation de superposition unidirectionnelle.

Les fibres d'un matériau bidirectionnel s'écoulent dans deux directions, généralement à 90 degrés l'une de l'autre. Les structures simples sont un exemple de directions de superposition bidirectionnelles. Ces directions de superposition ont une résistance dans les deux directions, mais pas nécessairement la même résistance. Comme le montre la figure 1

Les couches quasi-isotropes présentent des séquences de couches de 0 degrés, -45 degrés, 45 degrés et 90 degrés ou 0 degré, -60 degrés et 60 degrés. Ces types d'orientations de plis simulent les propriétés des matériaux isotropes comme le montre la figure 2. De nombreuses structures composites aérospatiales sont constituées de matériaux quasi-isotropes.

Figure 1 : Propriétés des matériaux de pavage bidirectionnels et unidirectionnels

Figure 2 : Dispositions de matériaux isotropes symétriques

Wdirection arp

Le sens de chaîne fait référence aux fibres longitudinales du tissu. En raison de la rectitude des fibres, le sens de chaîne est le sens de la résistance élevée. Le sens de chaîne est utilisé pour décrire le sens des fibres sur un tableau, une fiche technique ou une fiche du fabricant. S'il n'y a pas de sens de chaîne sur le tissu, le sens de chaîne par défaut est zéro lorsque le tissu sort du rouleau. Par conséquent, 90 degrés à zéro correspond à la largeur du tissu. Comme le montre la figure 3

Figure 3 : Verrouillage par rotation

Fconfiguration iber

Toutes les formes de produits commencent généralement par une ligne unidirectionnelle de fibres brutes qui sont emballées en brins continus. Une fibre individuelle est appelée filament. Le terme « fil » est également utilisé pour désigner une fibre de verre individuelle. Les filaments groupés peuvent être classés en fils filés, fils ou stratifils. Les fils de fibre de verre sont torsadés, tandis que les fils de Kevlar® ne le sont pas. Les faisceaux de filaments et les stratifils n'ont pas de torsion. La plupart des fibres sont des fibres sèches et doivent être imprégnées de résine avant utilisation (pré-imprégnation) ou de matériau pré-imprégné lorsque la résine a déjà été appliquée sur les fibres.

Fibres grossières (faisceaux de fils)

Une mèche est un groupe de filaments ou d'extrémités de fibres, comme les mèches de verre à extrémité 20- ou 60-. Tous les filaments sont orientés dans la même direction et ne sont pas torsadés. Les mèches en fibre de carbone sont généralement identifiées comme des mèches 3K, 6K ou 12K, K désignant 1 000 filaments. La plupart des applications de produits à mèche utilisent un mandrin pour l'enroulement des fibres, puis le durcissement de la résine jusqu'à la configuration finale.

Unidirectionnel (avec)

Les bandes préimprégnées unidirectionnelles sont la norme dans l'industrie aérospatiale depuis de nombreuses années et les fibres sont généralement imprégnées d'une résine thermodurcissable. La méthode de préparation la plus courante consiste à tirer des brins bruts (secs) collimatés dans une machine d'imprégnation, où la résine thermofusible est liée aux brins par la chaleur et la pression. Le produit en bande présente une résistance élevée dans le sens des fibres et une résistance presque nulle dans les fibres. Les fibres sont maintenues en place par la résine. Les bandes sont plus résistantes que les tissus tissés. Comme le montre la figure 4

Figure 4 : Rubans et produits en tissu

Tissu

Pour les laminations de formes complexes, la plupart des constructions en tissu offrent plus de flexibilité que les bandes unidirectionnelles droites. Les tissus offrent la possibilité d'imprégner la résine par un procédé de fusion en solution ou à chaud. En règle générale, les tissus destinés aux applications structurelles utilisent des fibres ou des brins de même poids ou de même rendement dans les directions chaîne (longitudinale) et trame (transversale). Pour les structures aérospatiales, les tissus à tissage serré sont souvent le choix le plus léger, réduisant la taille des vides de résine et conservant l'orientation des fibres pendant la fabrication.

La structure du tissu est généralement constituée de faisceaux, de brins ou de fils renforcés qui sont entrelacés pendant le processus de tissage. Les styles de tissu les plus courants sont le tissage uni ou le tissage satin. Les structures à armure toile sont formées par l'alternance de fibres au-dessus et en dessous de chaque brin croisé (faisceau, touffe ou fil). Dans les styles de tissage satin courants, tels que le faisceau 5- ou 8-, les brins de fibres se déplacent d'avant en arrière dans le sens de la chaîne et dans le sens de la trame moins fréquemment.

Ces tissus satinés sont moins frisés et plus facilement déformés que les tissus unis. Dans les tissages unis et la plupart des tissus à 5 ou 8 brins, il y a un nombre égal de brins de fibres dans les directions de chaîne et de trame. Par exemple : les tissages unis 3K ont généralement un nom supplémentaire tel que 12 x 12, ce qui signifie 12 brins par pouce dans chaque direction. Cette désignation de comptage peut être modifiée pour augmenter ou diminuer le poids du tissu, ou pour s'adapter à différentes fibres dans différents poids. Comme le montre la figure 5

Figure 5 : Style de tissage de tissu typique

Tissus non tissés (tissés ou cousus)

Les tissus tissés ou cousus peuvent offrir de nombreux avantages mécaniques du ruban unidirectionnel. Le placement des fibres peut être droit ou unidirectionnel, sans les virages de haut en bas des tissus tissés. Après l'orientation présélectionnée d'une ou plusieurs couches de cloison sèche, les fibres sont cousues ensemble avec des fils fins pour maintenir les fibres en place. Ces types de tissus offrent une large gamme d'orientations multicouches. Bien qu'un certain poids puisse être ajouté ou que certaines des propriétés finales des fibres de renforcement puissent être perdues, certaines améliorations des propriétés de cisaillement et de ténacité interlaminaires peuvent être obtenues. Les fils de couture courants sont le polyester, l'aramide ou le thermoplastique. Comme le montre la figure 6

Figure 6 : Matériaux non tissés (coutures)

Types de fibres

Gfibre de verre

La fibre de verre est couramment utilisée dans les structures secondaires des avions, telles que les carénages, les radômes et les extrémités d'ailes. Les fibres de verre sont également utilisées dans les pales de rotor d'hélicoptère. Il existe plusieurs types de fibres de verre utilisées dans l'industrie aérospatiale. La fibre de verre électronique, ou verre E, est reconnue pour de telles applications électroniques. Elle présente une résistance élevée aux courants électriques. Le verre E est fabriqué à partir de fibres de verre borosilicaté. Le verre S et le verre S2- sont des fibres de verre structurelles qui ont une résistance supérieure à celle du verre E. Les fibres de verre S sont fabriquées à partir de silicates de magnésium et d'aluminium. Les avantages des fibres de verre sont un coût inférieur à celui des autres composites, une résistance chimique ou électrique et des propriétés électriques (les fibres de verre ne conduisent pas l'électricité). Les fibres de verre sont de couleur blanche et peuvent être utilisées comme tissus de fibres sèches ou préimprégnés.

Afibre de ramide

Kevlar est le nom de la fibre aramide de DuPont. Les fibres aramides sont légères, solides et résistantes. Deux types de fibres aramides sont utilisées dans l'industrie aéronautique : le Kevlar® 49 a une rigidité élevée et le Kevlar® 29 a une rigidité faible. L'un des avantages des fibres aramides est qu'elles sont très résistantes aux dommages causés par les chocs, elles sont donc couramment utilisées dans les zones sensibles aux dommages causés par les chocs. Le principal inconvénient des fibres aramides est leur manque général de compressibilité et d'absorption d'humidité. Les rapports d'entretien indiquent que certaines pièces en kevlar® absorbent jusqu'à 8 % de leur poids en eau. Les pièces en fibres aramides doivent donc être protégées de l'environnement. Un autre inconvénient est que les fibres kevlar sont difficiles à percer et à couper. Les fibres peluchent facilement et nécessitent des ciseaux spéciaux pour les couper.

Le Kevlar est couramment utilisé dans les applications militaires balistiques et de protection corporelle. Il a une couleur jaune naturelle et est disponible sous forme de tissu sec et de préimprégné. La taille d'un faisceau de fibres d'aramide ne dépend pas du nombre de fibres comme les fibres de carbone ou de verre, mais plutôt du poids.

Fibre de carbone/graphite

La première différence entre cette fibre est celle entre les fibres de carbone et de graphite, bien que les termes soient souvent utilisés de manière interchangeable. Les fibres de carbone et de graphite sont basées sur un réseau de couches de graphite simples (hexagonales) dans le carbone. Un matériau est défini comme étant du graphite si les couches ou plans de graphite simples sont empilés dans une séquence tridimensionnelle. Un traitement prolongé en temps et en température est généralement nécessaire pour former cet ordre, ce qui rend les fibres de graphite plus chères. La liaison entre les plans est faible. Un désordre se produit souvent de telle sorte que seul un ordre bidimensionnel existe dans les couches. Ce matériau est défini comme étant de la fibre de carbone.

La fibre de carbone est très résistante et 3 à 10 fois plus rigide que la fibre de verre. La fibre de carbone est utilisée dans les applications structurelles des avions telles que les poutres inférieures, les stabilisateurs, les commandes de vol et les structures principales du fuselage et des ailes. Ses avantages comprennent une résistance élevée et une résistance à la corrosion. Ses inconvénients comprennent une conductivité électrique inférieure à celle de l'aluminium ; par conséquent, pour les composants d'avion sensibles à la foudre, une grille ou un revêtement résistant à la foudre doit être installé. Un autre inconvénient de la fibre de carbone est son coût élevé. La fibre de carbone est de couleur grise ou noire et est disponible sous forme de tissu sec et de préimprégné. Lorsqu'elle est utilisée avec des fixations et des structures métalliques, la fibre de carbone a un potentiel élevé de provoquer une corrosion par couplage galvanique.

Figure 7 : Fibres de verre (à gauche), fibres d'aramide (au milieu), matériau en fibre de carbone (à droite)

Bfibre d'oron

Les fibres de bore sont très dures et ont une résistance élevée à la traction et à la compression. Les fibres ont un diamètre relativement important et ne se plient pas bien ; par conséquent, elles ne peuvent être utilisées que comme produits de bande préimprégnée. Les matrices de résine époxy sont souvent utilisées avec des fibres de bore. Les fibres de bore sont utilisées pour réparer les boîtiers d'avion en aluminium fissurés car la dilatation thermique du bore est proche de celle de l'aluminium et n'a aucun potentiel de corrosion par couplage galvanique. Les fibres de bore sont difficiles à utiliser si la surface du substrat a une forme profilée. Les fibres de bore sont très chères et peuvent être dangereuses pour le personnel. Les fibres de bore sont principalement utilisées dans l'aviation militaire.

Cfibre céramique

Les fibres céramiques sont utilisées dans les applications à haute température telles que les aubes de turbine pour les moteurs à turbine à gaz. Les fibres céramiques peuvent être utilisées à des températures allant jusqu'à 2200 degrés F.

Lfibre de protection contre la foudre

Les plaques d'aluminium sont très conductrices et peuvent dissiper les courants élevés provoqués par la foudre. La fibre de carbone est 1 fois plus résistante au courant que l'aluminium et la résine époxy est 1 fois 3 fois plus résistante (c'est-à-dire perpendiculairement à la peau). La surface des composants composites externes est généralement constituée d'une ou de plusieurs couches de matériau conducteur pour la protection contre la foudre, car les composites sont moins conducteurs que l'aluminium. De nombreux types de matériaux conducteurs différents sont utilisés, allant du tissu graphite nickelé au treillis métallique en passant par les fibres de verre aluminisées et les revêtements conducteurs. Le matériau peut être utilisé comme couche de stratification humide ou comme préimprégné.

En plus des réparations structurelles normales, les techniciens doivent recréer la conception en fonction de la conductivité du composant. Ces types de réparations nécessitent souvent des tests de conductivité avec un résistifomètre pour vérifier la résistance minimale de l'ensemble de la structure. Lors de la réparation de ces types de structures, il est très important d'utiliser uniquement des matériaux approuvés par des fournisseurs autorisés, notamment des composés d'enrobage, des produits d'étanchéité et des adhésifs. Comme le montrent les figures 8 et 9

Figure 8 : Matériau de protection contre la foudre en maille de cuivre

Figure 9 : Matériau de protection contre la foudre en treillis d'aluminium