Place croissante des matériaux composites dans la construction aéronautique :

Tout grand progrès scientifique est né d'une nouvelle audace de l'imagination.

John Deway

Les matériaux composites ont un apport de plus en plus important dans le domaine de la construction aéronautique. De manière générale, un matériau composite est un assemblage d'au moins deux composants non miscibles dont les propriétés se complètent, le nouveau matériau ainsi constitué, hétérogène, possède des propriétés que les composants seuls ne possèdent pas. En une vingtaine d’années, les matériaux composites ont considérablement évolué aussi bien dans leurs caractéristiques qu’au niveau des procédés de mise en œuvre. Ainsi, on est passé du Jumbo Jet 747 dont 1 % de la masse totale de la cellule est composé de fibre de verre, soit de matériaux composites, au Boeing 777 dont les matériaux composites représentent 11% de la masse totale de la cellule.

Forcé de constater les impératifs de légèreté alliée à la robustesse ainsi que la rigidité des matériaux composites, les constructeurs aéronautiques se sont dirigés très tôt vers l’exploitation et l’étude de ces matériaux particuliers :

1938	L’avion Morane (406) qui constitue le premier avion de chasse moderne utilise des panneaux sandwiches avec une âme en bois contreplaqué et des revêtements en alliage léger.
1943	Utilisation de fibre de chanvre/résine phénolique pour réaliser le fuselage et le longeron de l’avion Spitfire
1950	Réalisation de carénage de formes complexes en utilisant le composite verre/résine
1960	Introduction du composite bore/époxyde
1970	Installation de pièces de structure en carbone/époxyde
1972	Utilisation du composite kevlar/époxyde

L’expérience maintenant accumulé prouve que l’emploi des matériaux composites permet, à performance égales, des gains de masse variant de 10% à 50% sur le même composant en alliage métallique conventionnel, avec un cout inférieur de 10% à 20%. On peut tenir en exemple, la dérive du transporteur Tristar : avec une construction classique, elle est constituée de 175 éléments assemblés par 40 000 rivets tandis qu’avec une construction composite, elle ne comporte plus que 18 éléments assemblés par 5000 rivets ; Grace à cette réduction importante du nombre de rivets, on obtient des surfaces lisses entrainant un meilleur glissement. Une telle différence s’explique par une suite de conséquences logiques liées à l’utilisation de ces matériaux aux propriétés particulières. Parmi les plus convoités, la faible masse volumique des matériaux

- faible masse volumique ➔ diminution de la masse à vide ➔ diminution de la motorisation ➔ diminution du carburant consommé ➔ diminution de la masse totale de l’engin.

Bien évidemment, ce n’est pas la seule qualification qui attire pour la construction aérospatiale, en fonctions de leurs qualités et leurs défauts, certains matériaux composites sont destinés à l’élaboration de certaines pièces plutôt que d’autres.  

Qualités et défauts des principaux composites utilisés et pièces auxquelles ils participent à la construction :

Verre/époxyde ; kevlar/époxyde :

1. -résistance à la rupture élevée

2. -très bonne tenue à la fatigue

3. Allongement élastique important

4. Température d’utilisation limitée à environ 80 °C

5. Matériau non conducteur

Utilisé pour la construction de carénages, de portes de soûtes, de portes de trains d’atterrissage, de becs de bords d’attaque ainsi que pour l’habillage commercial.

Carbone/époxyde

1. Résistance à la rupture élevée

2. Très bon conducteur de l’électricité et de la chaleur

3. Température d’utilisation élevée

4. Dilatation nulle jusqu’à 600 °C

5. Fabrication délicate

6. Matériau sensible à la foudre

7. Fabrication délicate

Utilisé pour la réalisation de caissons, de voilure, d’empennage, de fuselage, d’ailerons, de volets, de dérives, de trappes et de bielles.

Remarque : la sensibilité à la foudre peut occasionner des dégâts au point d’impact et peut causer un délaminage ainsi que la brulure de résine, cela induit aussi a des risques d’étincelage dans les liaisons et la nécessité de prévoir des retours de masse pour les circuits électriques situés sous l’élément composite. Pour remédier à cela, on utilise du tissu de verre associé à des feuilles d’aluminium ainsi que la projection d’un film d’aluminium.

Bore/époxyde

1. Resistance a la rupture élevée

2. Grande rigidité

3. Masse volumique plus élevée

4. Fabrication et mise en œuvre délicates

5. Prix élevé

Utilisé pour la réalisation de caissons de dérives et de caissons d’empennage.

Nids d’abeilles 

1. Faible masse volumique

2. Module et résistance spécifique très élevée

3. Très bonne tenue en fatigue

4. Sensible à la corrosion

5. Détection de défauts difficile

6. Utilisé pour la constitution de l’âme des pièces a structure sandwich.

Remarque : la corrosion est occasionnée par l’action combinée de l’eau qui se condensent progressivement dans les alvéoles ainsi que des contraintes mécaniques et thermiques que subit la structure. Pour remédier à cela, on introduit dans la pièce un inhibiteur organique qui reconnait les points d’attaque potentiels et s’y fixe pour interdire la réaction avec l’eau.

-La solution fibre de verre utilisée seule est de plus en plus délaissée au profit d’une association avec les fibres de kevlar et de carbone pour des raisons d’économie de masse.

- Aussi, les pièces composites sont réparables contrairement aux pièces métalliques conventionnelles et l’introduction des matériaux composites dans les appareils est limitée à certaines partie de la structure, elle se fait de façon progressive au cours de la durée de vie de l’appareil. On est alors amené à prendre en considération différentes notions :

• Notion de taux d’échange : cout du kilogramme gagné lorsqu’on remplace une pièce métallique conventionnelle par une pièce à dominante composite.

• Notion de gain de charge payante : gain en passager ou en carburant pour les gros porteurs.

Conception d’une pièce composite :

Contrairement aux matériaux isotropes ou la conception consiste à choisir un matériau existant et à le dimensionner. Pour une pièce isotrope, le concepteur « crée » le matériau en fonction de ces besoins. Il choisit :

• Le renfort : qui constitue l'ossature de la pièce, et qui supporte l'essentiel des contraintes. Il peut être organique (exemple : fibre de verre), minéral (ex : fibre de carbone) ou encore métallique (ex : fibre de bore).

• La matrice : La matrice a pour principal but de transmettre les efforts mécaniques au renfort. Elle assure aussi la protection du renfort vis-à-vis des diverses conditions environnementales. Elle permet de donner la forme voulue au produit réalisé. Elle peut être organique, métallique ou céramique

• Le procédé de durcissement :  est comme son nom l'indique un procédé permettant de durcir un alliage de métaux

Vient ensuite la définition de l’architecture de la pièce, c’est-à-dire de l’agencements des plis, le pré dimensionnement ainsi que les représentations sur les plans.

Parmi les principaux atouts qui rendent plus agréable et plus efficace la conception en composite :

• Le fait de pouvoir choisir l’orientation des fibres de manière à optimiser le comportement mécanique dans une direction déterminée.

• Le matériau est élastique jusqu’à la rupture

• Les formes complexes sont facilement réalisables par moulage

• Il est possible de réduire le nombre de pièce et de limiter l’usinage.

Les caractéristiques comparées des différents matériaux mettent en évidence les avantages des matériaux composites :

Les procèdes de moulage regroupe l’ensemble de phases visant à mettre en forme un noyau dans sa phase liquide en insérant une emprunte à la forme de la pièce désiré réalisée dans un matériau réfractaire. Les procédés de formage par moulage varient en fonction de la nature des pièces, de l’importance des séries, du prix de revient.   Nous allons citer les principaux :

• Le moulage poinçon-matrice : un contre-moule vient fermer le moule, après qu’on ait disposé le mélange renfort/matrice, l’ensemble est placé dans un dispositif de serrage mécanique permettant l’application d’une pression de 1 à 2 bars. Ce procédé est bien adapté aux moyennes séries (on peut obtenir plusieurs dizaines de pièces par jour).

• Le moulage sous vide /au sac : on utilise un moule ouvert sur lequel on dispose les couches de renfort imprégné, aussi éventuellement que les âmes de remplissage lorsqu’il s’agit de matériaux sandwiches. Une feuille de plastique souple vient couvrir le tout hermétiquement. On fait le vide sous la feuille de plastique. Il y a alors compactage de la pièce, élimination des bulles d’air, fluage de l’excèdent de résine qui est absorbé par un tissu de pompage. L’ensemble est ensuite soumis a polymérisation, soit en étuve ou en autoclave.

• Le moulage par injection de résine : Les renforts sont mis en place entre moule et contre-moule et la résine est injecté. L’investissement est peu coûteux.

• Le moulage par injection de mousse : Cette technique permet d’obtenir des pièces de mousse de polyuréthane renforcées par fibre de verre. Ces pièces restent stables dans le temps, présentent de bons états de surface et ont des résistances mécaniques et thermique satisfaisantes.

• La centrifugation : est un procédé de mise en forme par moulage de pièces sous forme de cylindres creux. Ces matériaux peuvent être à base de thermoplastiques et surtout de thermodurcissables.

• L’enroulement filamentaire : est un procédé de mise en œuvre par moulage de matériaux composites sous forme de pièces de révolution creuses .Ce procédé est utilisé principalement pour fabriquer des pièces soumises à une forte pression interne.

On qualifie de pli le demi-produit « renfort +résine » présenté sous forme quasi-bidimensionnelle, en effet un pli peut être composé des façons suivantes :

          -un assemblage de fibre unidirectionnelles+ matrice :  si toutes les fibres sont dans le même sens, la pièce sera extrêmement résistante mais dans ce sens seulement.

         -un tissu (chaîne +trame) + matrice : le tissu est constitué de fibres qui sont disposées suivant deux directions perpendiculaires : une direction dite de chaîne et une de trame. Les fibres sont liées par tissage, c’est-à-dire par passage des fils de trame par-dessus et au-dessous des fils de chaîne, suivant les séquences préétablies. Ainsi le pli tissé est remplacé par un seul pli anisotrope.

         -un mat + matrice : ce sont des renforts bidimensionnels a fibres coupées ou a fibres continues

De manière générale, une étude des matériaux accompagné de la conception de plis induit à la création de matériaux composites très résistances.

Les matériaux composites, au vu de la façon dont on peut les modeler constitue la « clé » pour la résolution des prouesses technologiques à venir, aussi bien dans le domaine de l’aéronautiques que dans d’autres domaines comme la biotechnologie. Le très haut degré de technicité des matériaux composites rend complexe leur recyclage, l’un des principaux défis à relever réside dans la réduction de l’énergie nécessaire pour le traitement, la valorisation des produits dérivés et l’optimisation de la qualité des fibres récupérées pour favoriser leur réemploi.