I. Matériaux de substrat
1.1 Résine
1.1.1 Résine thermodurcie
La résine est le terme générique désignant les polymères. La résine, sa composition chimique et ses propriétés physiques affectent fondamentalement le traitement, la fabrication et les propriétés finales du matériau composite. La résine thermodurcissable est le matériau artificiel le plus diversifié et le plus largement utilisé. Il est facile à couler ou à façonner n'importe quelle forme, est compatible avec la plupart des autres matériaux et durcit facilement (par la chaleur ou des catalyseurs) pour donner un solide insoluble. La résine thermodurcie est également un excellent adhésif et agent de liaison.
1.1.2 Résine polyester
La résine polyester est une résine relativement peu coûteuse et facile à traiter qui est souvent utilisée dans des applications à faible coût. La résine polyester à faible fumée est utilisée pour les parties intérieures des avions. Le polyester renforcé de fibres-peut être traité de différentes manières. Les méthodes de traitement courantes comprennent le formage de moules métalliques assortis, le formage par stratification humide - (ensachage sous vide), le moulage par injection, l'enroulement de fibres, la pultrusion et la vapeur à haute pression.
1.1.3 Résine vinylester
La résine vinylester a la même apparence, les mêmes propriétés de manipulation et les mêmes caractéristiques de durcissement des résines conventionnelles que les résines polyester. Cependant, la résistance à la corrosion et les propriétés mécaniques des composites vinylester sont bien améliorées par rapport aux composites à base de résine polyester standard.
1.1.4 Résine phénolique
La résine phénolique a été utilisée pour la première fois commercialement sur le marché au début du 20e siècle. L'urée-formaldéhyde et la mélamine-formaldéhyde sont apparues dans les années 1920 et 1930 comme alternatives moins coûteuses pour une utilisation à basse température. La résine phénolique est utilisée pour les composants intérieurs en raison de ses caractéristiques de faible fumée et de faible inflammabilité.
1.1.5 Résine époxy
La résine époxy est une résine thermodurcissable polymérisable qui présente une large gamme de viscosités allant du liquide au solide. Avec de nombreux types différents de résine époxy, le technicien doit utiliser un manuel de maintenance pour sélectionner le type correct pour une réparation particulière. La résine époxy est largement utilisée dans les préimprégnés et les adhésifs structurels. Les avantages des époxydes sont une résistance et un module élevés, une faible teneur en substances volatiles, une bonne adhérence, un faible retrait, une bonne résistance chimique et une facilité de traitement. Ses inconvénients majeurs sont la fragilité et la dégradation des propriétés en présence d’humidité. La résine époxy est plus lente à traiter ou à durcir que la résine polyester. Les techniques de traitement comprennent le moulage en autoclave, l'enroulement des fibres, le moulage, l'ensachage sous vide, le moulage par transfert de résine et le moulage par pultrusion. Les températures de durcissement varient de la température ambiante à environ 350 degrés F (180 degrés). La plage de température de durcissement la plus courante se situe entre 250 degrés et 350 degrés F (120-180 degrés). Comme le montre la figure 10.
Figure 10 : Les deux systèmes de pose de distributeurs d'époxy humides avec pompes
1.1.6 Résine polyimide
La résine polyimide excelle dans les environnements-à haute température, où sa résistance à la chaleur, sa stabilité à l'oxydation, son faible coefficient de dilatation thermique et sa résistance aux solvants facilitent la conception. Ses principales utilisations sont les circuits imprimés, les moteurs thermiques et les structures de cellule. La résine polyimide peut être une résine thermodurcie ou un thermoplastique. La résine polyimide nécessite des températures de durcissement élevées, généralement supérieures à 550 degrés F (290 degrés). En conséquence, les matériaux d’ensachage composites époxy courants ne sont pas disponibles et les outils en acier deviennent une nécessité. Il est très important d'utiliser des films d'ensachage et de démoulage en polyimide tels que le Kapton®. upilex®, au lieu de gaines en nylon moins coûteuses et de films antiadhésifs en polytétrafluoroéthylène (PTFE), est une procédure courante pour le traitement des composites époxy.
Le revêtement en fibre de verre, en raison du faible point de fusion des fibres de polyester, doit être remplacé par un matériau respirant et déchargeable comme matériau de literie.
1.1.7 Résine polybenzimidazole (PBI)
Le PBI est utilisé dans les matériaux résistants aux températures élevées en raison de sa résistance extrêmement élevée aux températures. Les résines sont utilisées comme adhésifs et fibres.
1.1.8 Résine bismaléimide (IMC)
BMI a une résistance à la température et une ténacité plus élevées que les résines époxy et offre d'excellentes performances à la fois à des températures ambiantes et élevées. Le BMI est traité de la même manière que les résines époxy. Le BMI est utilisé dans les-moteurs d'avion et les composants à haute-température. Les BMI conviennent, entre autres, au traitement de canettes de presse à chaud-standard, au moulage par injection, au moulage par coulée de résine et au moulage de composites moulés (SMC).
1.1.9 Résine thermoplastique
Les matériaux thermoplastiques peuvent être ramollis à plusieurs reprises en augmentant la température et durcis à plusieurs reprises en diminuant la température. La vitesse de traitement est le principal avantage des matériaux thermoplastiques. Aucun durcissement chimique ne se produit pendant le traitement et les matériaux peuvent être moulés ou extrudés lorsqu'ils sont mous.
1.1.10 Thermoplastiques semi-cristallins
Les thermoplastiques semi-cristallins ont des propriétés ignifuges fixes, une ténacité supérieure, de bonnes propriétés mécaniques à haute température et après-impact, ainsi qu'une faible absorption d'humidité. Ils sont utilisés dans les structures aéronautiques secondaires et primaires. En combinaison avec des fibres de renforcement, ils peuvent être utilisés pour les composés de moulage par injection, les feuilles aléatoires moulées par compression, les moules unidirectionnels, les préimprégnés fabriqués à partir de câbles de préimprégnés (préimprégnés) et les préimprégnés en tissu. Les fibres imprégnées de thermoplastiques semi-cristallins comprennent les fibres de carbone, le carbone nickelé-, l'aramide, les fibres de verre, le quartz et autres.
1.1.11 Thermoplastiques amorphes
Les thermoplastiques amorphes sont disponibles sous diverses formes physiques, notamment des films, des filaments et des poudres. En combinaison avec des fibres de renforcement, ils sont également utilisés dans les composites moulés par injection, les feuilles aléatoires moulables par compression, les moules en caoutchouc unidirectionnels, les préimprégnés tissés et autres. Les fibres utilisées sont principalement des fibres de carbone, d'aramide et de verre. Les avantages particuliers des thermoplastiques amorphes dépendent du polymère. Généralement, les résines sont connues pour leur facilité de traitement, leur rapidité, leur capacité à haute température, leurs bonnes propriétés mécaniques, leur excellente ténacité et résistance aux chocs, ainsi que leur stabilité chimique. La stabilité se traduit par une durée de vie de stockage illimitée, éliminant le besoin de stockage au froid des préimprégnés thermodurcis.
1.1.12 Polyétheréthercétone (PEEK)
Le PEEK est un thermoplastique-haute température. Ce matériau cétonique aromatique présente d'excellentes caractéristiques de chaleur et de combustion élevées et résiste à une large gamme de solvants et de fluides solubles exclusifs. Le PEEK peut également être renforcé avec des fibres de verre et de carbone.
1.2 Étapes de durcissement des résines
La résine thermodurcissable est durcie par une réaction chimique. Il existe trois étapes de durcissement, appelées A, B et C.
-Étape A : les composants de la résine (substrat et durcisseur) ont été mélangés, mais la réaction chimique n'a pas encore commencé. Lors du dépôt humide-, la résine est à l'étape A.
-Étape B : les composants de la résine ont été mélangés et la réaction chimique a commencé. Le matériau devient épais et collant. La résine du préimprégné est à l'étape B. Pour éviter un durcissement ultérieur, la résine est placée au congélateur à 0 degré F. À l'état congelé, la résine du préimprégné reste à l'étape B. Le durcissement commence lorsque le matériau est retiré du réfrigérateur et chauffé à nouveau.
-Étape C : la résine est complètement durcie. Certaines résines durcissent à température ambiante, d'autres nécessitent des cycles de durcissement à haute température pour durcir complètement et adéquatement.
1.3 Préimprégnés
Le préimprégné est constitué d'une combinaison de fibres de matrice et de renforcement. Il est disponible sous forme unidirectionnelle (une direction de renfort) et sous forme de tissu laminé (plusieurs directions de renfort). Les cinq principales familles de résines matricielles peuvent être utilisées pour imprégner diverses formes de fibres. Les résines ne sont alors plus au stade de faible viscosité, mais ont été avancées jusqu'à un niveau de durcissement de classe B pour de meilleures caractéristiques de manipulation. Les produits suivants sont disponibles sous forme de préimprégnés : moules en caoutchouc unidirectionnels, articles en fibres tissées, câbles continus et tapis coupés en morceaux. Les préimprégnés doivent être conservés au réfrigérateur à une température inférieure à 0 degré F pour retarder le processus de durcissement. Les préimprégnés sont durcis à des températures élevées. De nombreux préimprégnés utilisés dans l'aérospatiale sont imprégnés de résines époxy qui durcissent à 250 degrés F ou 350 degrés F. Les préimprégnés sont durcis dans des autoclaves, des fours ou des couvertures chaudes. Ils sont généralement achetés et stockés dans un rouleau de sac en plastique scellé pour éviter toute contamination par l'humidité. Comme le montre la figure 11.
Figure 11 : Film adhésif et tissu préimprégné
1.4 Matériaux fibreux secs
Les matériaux en fibres sèches, tels que la fibre de carbone, la fibre de verre et le kevlar®, sont utilisés dans de nombreuses procédures de réparation d'avions. Le tissu sec est imprégné de résine avant le début des travaux de réparation. Ce processus est souvent appelé laminage humide. Le principal avantage de l'utilisation du procédé de dépôt humide-est que les fibres et la résine peuvent être stockées à température ambiante pendant de longues périodes. Le composite peut être durci à température ambiante ou à haute température pour accélérer le processus de durcissement et augmenter la résistance. Les inconvénients sont que le processus est compliqué et que les propriétés du matériau renforcé sont inférieures à celles du préimprégné. Comme le montre la figure 12.
Figure 12 : Matériaux en tissu sec (de haut en bas : matériau de protection contre la foudre en aluminium, kevlar®, fibre de verre et fibre de carbone)
1.5 Auxiliaires (agents thixotropes)
Les auxiliaires (agents thixotropes) se présentent sous forme de gel au repos et deviennent liquides lorsqu'ils sont agités. Ces matériaux ont une résistance au cisaillement statique élevée et une faible résistance au cisaillement dynamique tout en perdant de la viscosité sous contrainte.
II. Adhésifs
2.1 Films adhésifs
Les adhésifs structurels pour les applications aérospatiales sont généralement fournis sous forme de film, supportés sur du papier antiadhésif et stockés dans des conditions réfrigérées (-18 degrés ou 0 degrés F). Les films adhésifs peuvent utiliser des amines aromatiques à haute température ou des agents de durcissement catalysés avec une large gamme d'assouplissants et de durcisseurs. Les adhésifs en film époxy renforcés de caoutchouc sont largement utilisés dans l’industrie aérospatiale. La limite de température supérieure de 121 à 177 degrés (250 à 350 degrés F) dépend généralement du degré de trempe requis et de la sélection globale de résine et de durcisseur. En général, les résines durcies entraînent des températures de service plus basses. Le matériau du film est généralement soutenu par des fibres pour améliorer la manipulation du film avant le durcissement, pour contrôler l'écoulement de l'adhésif pendant le processus de liaison et pour aider à contrôler l'épaisseur de la ligne de liaison. Les fibres peuvent être transformées en tapis de fibres orientées de manière aléatoire ou en tissus tissés. Les fibres courantes sont le polyester, le polyamide (nylon) et les fibres de verre. Les adhésifs contenant des tissus tissés peuvent subir une légère dégradation environnementale en raison de l'absorption d'eau par les fibres. Le matage aléatoire n'est pas aussi efficace que les tissus tissés pour contrôler l'épaisseur du film car les fibres sans restriction se déplacent pendant le processus de liaison. Les tissus non tissés Spunlace ne bougent pas et sont donc largement utilisés. Comme le montrent les figures 13 et 14.
Figure 13 : Utilisation de films adhésifs, Kevlar®, fibre de verre et fibre de carbone
Figure 14 : Film adhésif
2.2 Adhésifs
Les adhésifs sont utilisés comme substitut aux films adhésifs. Ceux-ci sont souvent utilisés pour le collage secondaire afin de réparer les parties endommagées des patchs et dans les zones où les films adhésifs sont difficiles à appliquer. Dans le cas des résines époxy, une pâte est principalement utilisée pour adhérer au liant structurel. Des systèmes en une-partie et en deux-parties sont disponibles. L’avantage des colles en pâte est qu’elles peuvent être conservées à température ambiante et ont une longue durée de conservation. L’inconvénient est que l’épaisseur de la ligne de liaison est difficile à contrôler, ce qui affecte la résistance de la liaison.
Lorsque l'adhésif est appliqué, il est possible de maintenir le tissu collé pendant le processus de collage. Comme le montre la figure 15.
Figure 15 : Adhésifs
2.3 Adhésifs en mousse
La plupart des adhésifs en mousse sont des résines époxy de classe B de 0,025-pouce à 0,10 pouce d'épaisseur. Les adhésifs en mousse durcissent à 250 degrés F (121 degrés) ou 350 degrés F (176 degrés). Pendant le cycle de durcissement, la mousse adhésive se déplie. Les mousses adhésives doivent être conservées au réfrigérateur et, comme les préimprégnés, ont une durée de conservation limitée. Lors de la pré-réparation, la mousse adhésive est utilisée pour coller le nid d'abeilles dans la structure sandwich et réparer le noyau existant. Comme le montre la figure 16.
Figure 16 : Utilisation de la mousse adhésive
III. Description de la structure sandwich (description de la structure sandwich)
Théoriquement, la construction sandwich est un concept de panneau structurel composé de deux faces parallèles relativement minces séparées par une âme relativement épaisse ou légère. Le noyau soutient le parement contre la flexion et contre les charges de cisaillement auto-planaires. Le noyau doit avoir une résistance élevée au cisaillement et une rigidité à la compression. Les structures sandwich composites sont généralement fabriquées par durcissement en autoclave, durcissement sous presse ou durcissement en sac sous vide. Les laminations cutanées peuvent être pré-polymérisées puis combinées dans une opération de polymérisation conjointe-, ou une combinaison des deux méthodes. Des exemples de structures en nid d'abeilles sont : les spoilers d'ailes, le talc, les ailerons, les volets, les nacelles, les planchers et les gouvernails. Comme le montre la figure 17.
Figure 17 : Structure sandwich en nid d'abeille
IV. Performance
Dans une comparaison entre les structures en aluminium et les structures stratifiées composites, la rigidité à la flexion des structures sandwich est très élevée. La plupart des nids d'abeilles sont anisotropes, c'est-à-dire que leurs propriétés sont orientées. Les avantages de l'utilisation de structures en nid d'abeilles sont illustrés sur la figure 18. L'augmentation de l'épaisseur du noyau augmente considérablement la rigidité de la structure en nid d'abeilles avec une augmentation de poids minimale. En raison de la grande rigidité de la structure en nid d'abeilles, il n'est pas nécessaire d'utiliser des panneaux durs externes, comme dans le cas d'une charpente à poutres.
Figure 18 : Résistance et rigidité des matériaux sandwich en nid d'abeille par rapport aux valeurs de stratification solide