Actuellement, les matériaux composites sont devenus l'un des quatre principaux systèmes de matériaux, aux côtés des matériaux métalliques, des matériaux polymères et des matériaux inorganiques non métalliques-. Le niveau de l'industrie des matériaux composites d'un pays est devenu un indicateur clé de sa force scientifique, technologique et économique. Les matériaux composites avancés constituent une source d’avantage concurrentiel pour la sécurité nationale et l’économie. Il est prévu que d’ici 2020, seuls les matériaux composites auront le potentiel d’améliorer leurs performances de 20 à 25 %.
1. Applications dans les structures de fuselage d’avion
Des matériaux composites avancés sont utilisés pour fabriquer des structures porteuses de charge primaire-et des structures porteuses de charge secondaire-, offrant une rigidité et une résistance comparables ou supérieures à celles des alliages d'aluminium. Ces matériaux sont désormais largement utilisés dans la fabrication de structures de fuselage d’avions et de structures intégrées de petits véhicules aériens sans pilote (UAV). Les États-Unis ont largement adopté les composites dans les avions de combat et les avions de combat. Dans les années 1960, les États-Unis ont utilisé pour la première fois des « plastiques renforcés de fibres de carbone - (CFRP) dans les avions militaires pour des composants tels que les portes de cabine, les panneaux d'accès, les carénages et les surfaces de contrôle (par exemple, les ailerons et les gouvernails de direction) avec des exigences de portance faibles ou non -. Au début des années 1980, les composites ont évolué vers des « composants de queue » comme les stabilisateurs verticaux et horizontaux (structures porteuses secondaires), comme on le voit dans des avions tels que le F-15, le F-16, le F-18, le Mirage 2000 et le Mirage 4000. Au cours de cette phase, l'utilisation des composites est restée limitée. À la fin des années 1980, les chasseurs de quatrième génération comme le F-22 et le F-35, JSF a commencé à incorporer des composites dans les « principales structures porteuses » telles que les ailes et les fuselages, accélérant ainsi l'intégration des composites dans les avions militaires. L'utilisation de matériaux composites a continué d'augmenter (tableau 1-2), représentant désormais « 20 à 50 % de la masse structurelle » des avions militaires modernes.
La société britannique ICI a utilisé du GF/PA (probablement du polyamide renforcé de fibres de verre) pour produire des valves pour avions de combat, garantissant ainsi que ces valves maintiennent leurs performances et leur stabilité dimensionnelle même après une exposition prolongée au carburant sur une large plage de températures. Du Pont a également utilisé des matériaux tels que le GF, le KF/PA et le PPS (sulfure de polyphénylène) pour fabriquer des composants pour avions militaires.
En prenant comme exemple le chasseur F/A-22 de quatrième -génération, les composites représentent 24,2 % de ses matériaux structurels. Parmi ceux-ci, les composites thermodurcissables représentent 23,8 %, tandis que les composites thermoplastiques constituent environ 0,4 %. Environ 70 % des composites thermodurcissables sont à base de résine bismaléimide (BMI), utilisée pour produire plus de 200 types de composants complexes. Les matériaux thermodurcissables restants sont principalement constitués de composites à base de résine époxy-, avec une utilisation supplémentaire de composites à base d'ester de cyanate et de résine thermoplastique-. Les domaines d'application clés comprennent les ailes, les revêtements du milieu du fuselage, les cadres et les sections de queue.
Les giravions militaires utilisent également largement des composites. Par exemple, l'avion à rotors basculants V-22 Osprey utilise des composites pour plus de 40 % de sa masse structurelle, y compris le fuselage, les ailes, la queue et les mécanismes de rotation, totalisant plus de 3 000 kg de matériaux composites. Le dernier hélicoptère d'attaque européen Tigre d'Eurocopter comporte 80 % de matériaux composites dans ses composants structurels, ce qui se rapproche d'une cellule entièrement composite. En revanche, les avions de transport militaire utilisent moins de composites -C-17 à 8 % et C-130J à seulement 2 %, bien que l'Airbus A400M de transport militaire intègre une aile entièrement composite, les composites représentant 35 % de sa masse structurelle lorsqu'il est vide.
Dans l'aviation civile, l'avion léger Star-monopilote-construit aux États-Unis au début des années 1980 avait une masse structurelle d'environ 1 800 kg, avec des matériaux composites dépassant 1 200 kg. L'avion léger Voyager de 1986, avec plus de 90 % de sa structure constituée de composites de fibres de carbone, a établi un record du monde pour un vol sans-neuf-jours continus autour du monde-autour du monde. Aujourd'hui, la rivalité entre les géants de l'aérospatiale Boeing et Airbus s'est intensifiée, l'accent étant mis sur l'utilisation accrue de matériaux composites (Figure 1-2).
Pour produire le premier fuselage d'avion 787 entièrement-en composite, Boeing a adopté une méthode de placement de fibres similaire à celle utilisée par Raytheon. Le processus a créé un composant de fuselage composite mesurant 7 mètres de longueur et 6 mètres de largeur. Cette structure a été fabriquée à l’aide de la technologie Automatic Fiber Placement (AFP) sur un mandrin rotatif massif. Le mandrin a été pré-usiné avec des rainures correspondant à la forme et aux dimensions des longerons et des longerons du fuselage. Des longerons et des poutres préformés (fabriqués à partir de couches préimprégnées de fibre de carbone et durcies sous pression) ont été placés dans ces rainures avant l'enroulement. Pendant la production, le mandrin tournait le long de son axe, permettant un enroulement continu des fibres sur le moule pour former la coque du fuselage, les ouvertures de fenêtre étant laissées non posées. La coque du fuselage, ainsi que les poutres et les longerons, ont ensuite été durcies à l'autoclave-pour créer une section de fuselage composite monolithique, qui a ensuite été démoulée pour devenir le produit final.
La section de fuselage composite du Boeing 787 est non seulement le plus grand composant de fuselage à enroulement filamentaire au monde, mais elle est également reconnue comme le plus grand récipient sous pression en fibre de carbone jamais produit. La résistance exceptionnelle à la traction et au cerclage du matériau composite lui permet de résister à une pression de cabine plus élevée, en maintenant une pression interne équivalente à une altitude de 6 000 pieds (1 830 mètres)-par rapport aux 7 000 à 9 000 pieds typiques des avions conventionnels-améliorant considérablement le confort des passagers. De plus, les composites résistent à la corrosion (une faiblesse majeure des cellules métalliques), permettant à l'humidité de la cabine de rester stable à 10-15 % (contre 5-10 % dans les fuselages métalliques), améliorant encore le confort.
Sous l'influence croissante de la technologie composite, Airbus a complètement repensé l'A-350, le renommant A-350 XWB (Extra Wide Body). L'avion a augmenté son utilisation de matériaux composites de 40 % à l'origine à 52 %. Le fuselage de l'A-350 XWB est 13 cm plus large que celui du 787, permettant une configuration de 9 sièges de front dans des configurations à haute densité (par rapport au maximum de 8 du 787 de front). Comme le 787, l’A-350 XWB maintiendra la pression de la cabine à une altitude équivalente à 6 000 pieds.
Le 14 juin 2013, Airbus a effectué avec succès le vol inaugural de son nouveau -avion gros-porteur A350 XWB, marquant une nouvelle étape dans l'industrie aéronautique mondiale après le B-787 « Dreamliner » de Boeing. L'A350 XWB et le B-787 utilisent respectivement 52 % et 50 % de matériaux composites, signifiant une nouvelle ère dans le développement des composites aérospatiaux.
L'A-380 de 555 -sièges, le plus gros avion du monde, a réalisé des exploits révolutionnaires dans l'histoire de l'aviation en utilisant largement le « plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP) . Les matériaux composites constituent « 25 % de la masse de l'avion », dont 22 % sont du CFRP et 3 % sont du « stratifié fibre-métal GLARE » (un hybride en couches de composites d'aluminium et de fibre de verre), la première utilisation de ce dernier dans les avions civils. Les composants CFRP comprennent : des freins rapides, des stabilisateurs verticaux et horizontaux (qui servent également de réservoirs de carburant), des gouvernes de profondeur, des ailerons, des spoilers de volets, des portes de train d'atterrissage, des carénages, des caissons d'ailerons verticaux, des poutres de plancher supérieures de la cabine, des cloisons de pression arrière, des sections de fuselage arrière, des stabilisateurs horizontaux et des ailerons.
Suite à l'utilisation pionnière de la fibre de carbone par l'A-340 pour la poutre de quille et les cloisons de pression arrière composites-brisant les barrières de conception traditionnelles-l'A-380 a encore défié les normes d'ingénierie en adoptant le CFRP pour son « caisson d'aile central » (reliant les ailes au fuselage). Cette innovation à elle seule a réduit le poids de 1,5 tonnes métriques par rapport aux alliages d’aluminium avancés. Les économies de poids du CFRP, combinées à la résistance à la fatigue et à la corrosion, ont amélioré le rendement énergétique de 13 % par rapport aux modèles concurrents et réduit les émissions. L'A-380 est devenu le premier avion long-courrier à atteindre « moins de 3 litres de carburant par passager et par 100 km », avec des coûts d'exploitation « 15 à 20 % inférieurs » à ceux de l'avion le plus efficace de son époque.
L'avion d'affaires Falcon 7X de Dassault Aviation, capable de naviguer à 12 000 mètres avec une vitesse maximale de Mach 0,8, peut accueillir 8 passagers et offre une autonomie de 10 560 km (5 700 milles marins). Le jet léger Beechcraft Premier 1 de Raytheon atteint une vitesse de croisière de 835 km/h avec une autonomie de 2 759 km-tous deux dotés de tous-fuselages composites avancés.
Le nouvel avion de transport japonais, ALELEX, intègre également d'importants composites en fibre de carbone.
La Chine a également largement utilisé les matériaux composites dans la conception et la production d’avions. Par exemple, le matériau composite et préimprégné en fibre de carbone unidirectionnel bismaléimide QY8911/HT3 développé et fabriqué par l'Institut de recherche sur les technologies de fabrication aéronautique de Pékin a été appliqué à des composants tels que la section avant du fuselage, le stabilisateur vertical de queue, les panneaux extérieurs d'aile, les spoilers et les carénages profilés des avions. Le préimprégné et le matériau composite en fibre de carbone unidirectionnel en résine thermoplastique PEEK/AS4C développé par l'Institut des matériaux aéronautiques de Pékin présente une ténacité à la rupture, une résistance à l'eau, une résistance au vieillissement, un caractère ignifuge et une résistance à la fatigue exceptionnels. Adaptés à la fabrication de structures porteuses primaires d'avions, ces matériaux peuvent fonctionner à long terme à 120 degrés et ont été utilisés dans les revêtements avant des panneaux de soute de train d'atterrissage d'avions.
L'avion militaire chinois « Flying Leopard », qui intègre d'importants composants composites en fibre de carbone, a une longueur totale d'environ 22,3 mètres, une envergure de 12,7 mètres, une masse maximale au décollage de 28,4 tonnes, une capacité de charge utile externe maximale de 6,5 tonnes, une vitesse de pointe de Mach 1,70 et une autonomie en ferry d'environ 3 600 kilomètres. Avec des capacités de combat dépassant celles des avions Jaguar, Tornado et Su-24, le Flying Leopard présente des caractéristiques conformes aux avions de combat de troisième génération.
2. Application des matériaux composites à la furtivité des avions
Au cours des dernières décennies, des progrès significatifs ont été réalisés dans la recherche sur les matériaux composites furtifs, qui évoluent vers des caractéristiques de « minceur, légèreté, absorption (spectrale) à large bande et résistance (résistance aux chocs, résistance aux températures élevées). » Les composites renforcés de fibres de carbone-sont non seulement des matériaux structurels légers et à haute résistance, mais possèdent également une fonctionnalité furtive critique. Par exemple, CF/PEEK ou CF/PPS présentent d’excellentes performances d’absorption à large bande, absorbant efficacement les ondes radar. Les États-Unis ont été les premiers à utiliser des matériaux furtifs dans les avions, le F-117 et le F-22 étant les plus fortement revêtus. Le revêtement furtif du F-117 était très complexe, incorporant jusqu'à « sept matériaux différents ».
La structure principale du chasseur supersonique américain F-22 utilise des plastiques techniques spéciaux renforcés de fibres de carbone à module moyen-fibre de carbone-. De même, les couvercles de parachute de décélération et les composants du siège éjectable du chasseur Mirage III sont fabriqués à partir de tels matériaux, qui ont été appliqués avec succès à des pièces absorbant les radars telles que les nervures, les revêtements, les connecteurs et les attaches des avions. Le boîtier du Tomahawk missile de croisière, le substrat de la cellule du B-2 bombardier furtif et des sections de l'avion furtif F-117A utilisent également des matériaux polymères absorbant les radars modifiés en fibre de carbone.
En 2000, l'US Air Force a amélioré les matériaux furtifs du F-117, remplaçant le revêtement original à sept -couches par un seul matériau. Ce changement a standardisé les procédures de maintenance et les matériaux absorbant les radars sur tous les F-117, réduisant ainsi les spécifications techniques d'environ 50 %. Après la -mise à niveau, le temps de maintenance par heure de vol du F-117 a été réduit de plus de moitié et les coûts de maintenance annuels pour tous les 52 F-117 sont passés de 14,5 millions à 6,9 millions. Contrairement au F-117, le F-22 évite les revêtements absorbant les radars sur tout le corps mais applique des « revêtements absorbant les radars en ferrite » sur tous les composants métalliques internes et externes. Ce revêtement est durable, résistant à l'usure et plus facile à appliquer que le système du F-117.
Les experts prédisent que d’ici les « années 2030 », des composites avancés tels que les « matériaux électrochromes polymères conducteurs », les « matériaux semi-conducteurs hybrides », les « nanocomposites » et les « technologies furtives intelligentes » seront pratiquement mis en œuvre dans les avions. Ces innovations pourraient transformer fondamentalement les systèmes avioniques et les méthodologies de contrôle des avions.
Source:Matériaux composites aéronautiques et leur analyse mécaniquepar Haitao Cui et Zhigang Sun (éd.)