Les matériaux composites dans le domaine aéronautique, leur utilisation utilisation

I.2.1. Généralités

Le besoin de réduire la masse des aéronefs actuels, tout en augmentant les performances structurelles des matériaux afin d’accroitre leur capacité d’emport (et ainsi réduire de manière significative les coûts d’utilisation, tout en continuant d’augmenter la durée de vie des appareils), a rendu l’utilisation des matériaux composites pour l’industrie aéronautique indispensables ces dernières années. Ainsi, sur le Boeing 787 Dreamliner, près de 50 % de la masse de l’appareil est constituéede matériaux composites à base de fibres de carbone (voir figure I-9). De la même manière, l’Airbus A350-XWB (pour eXtra Wide Body) atteint une proportion de 52 % de sa masse en composite [11], tandis que Bombardier a un niveau de 47 % sur ces Cseries [12].

v

q

c

T T

Figure I-9. Répartition (en masse) des matériaux dans un Boeing 787 (d’après Biasi [13]).

Il n’existe pas de définition unique pour les matériaux composites. Cependant, deux critères peuvent les définir. Premièrement, les matériaux composites correspondent à un assemblage d’au moins deux phases différentes non miscibles. Deuxièmement, l’assemblage géométrique de ces deux constituants possédant alors des propriétés physiques que les matériaux constitutifs n’ont pas seuls. Ils sont donc caractérisés par la fraction massique ou volumique de ces deux constituants [14]. Ainsi, si l’on définit les masses volumiques de la phase 1 et de la phase 2 comme et , la masse volumique

totale du composite en fonction des fractions volumiques W1 et W2 est défini de la manière suivante :

1 1 2 2 t

W W

  

De la même manière en utilisant les fractions massiques Y1 et Y2 on obtient :

1 2 1 2 1 t Y Y







Il est ensuite possible d’exprimer les fractions volumiques en fonction des fractions massiques de la manière suivante

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

et

Y Y

W W

Y Y Y Y

 

   

 

 

Et de la même façon pour les fractions massiques :

1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 1 1 2 2 et W W Y Y V V W W

 

   

Usuellement, les matériaux composites possèdent deux types de constituants : les renforts et les matrices, assurant respectivement la tenue mécanique (rigidité et résistance) et la cohésion de la structure (maintien des renforts et transmission des efforts). De ce fait,

1

 

lorsque la matrice et le renfort sont parfaitement liés, il ne peut plus y avoir de glissement ni de séparation entre les différentes phases avant l’endommagement du matériau.

Figure I-10. Principales matrices utilisées couramment.

L’industrie aéronautique utilise principalement des structures de matrices dites organiques (voir figure I-10). Ces dernières possèdent une faible densité ainsi qu’une faible résistance mécanique et une capacité de déformation relativement importante. Les matrices organiques permettent notamment un gain significatif de masse lors de leur utilisation. Les renforts principalement utilisés sont, quant à eux, des fibres de carbone [15] (voir figure I-11).

Figure I-11. Principaux renforts utilisés couramment.

Les plis de fibres de carbone utilisés sont généralement unidirectionnels (une seule dimension) ou tissés (deux ou trois dimensions) comme le présente la figure I-12.

Figure I-12. Schéma de la structure d’un pli de fibres de carbone (a) unidirectionnelle (b) tissé.

Les fibres de carbone possèdent de très fortes propriétés mécaniques. Elles sont élaborées à partir d’un précurseur, généralement des fibres acryliques. Les premières fibres de

carbone ont été obtenues en 1880 par Thomas Alva Edison et utilisées comme filament dans une lampe à incandescence [15]. Ce n’est qu’entre les années 1960 et 1970 que la production de fibres de carbone fut industrialisée, pour des applications hautes températures, en particulier pour des applications dans le domaine de la défense [14]. Les fibres de carbone sont dans ce cas obtenues à partir d’une décomposition thermique des fibres acryliques (sans fusion de ces dernières). Le brai, résidu de raffinerie issue du pétrole ou de la houille, peut également être utilisé pour la production de fibres de carbone [16]. Les fibres de carbone présentent un certain nombre d’avantages par rapport aux autres types de fibres présentés sur la figure I-11. Elles possèdent notamment une faible densité, un module d’Young et une résistance élevée ainsi qu’une stabilité thermique (jusqu’à 3000 °C sans oxygène pour certains types de fibres [17]). Néanmoins les fibres de carbone sont anisotropes et leur résistance à la compression est faible. De plus elles ont tendance à s’oxyder à l’air à partir de 450 °C [9].

Dans le cas des composites à matrices organiques, les fibres sont généralement associées à deux grandes catégories de polymères :

- Les résines thermodurcissables (TD) - Les résines thermoplastiques (TP)

Figure I-13. Schéma des liaisons entre les molécules composant une résine thermodurcissable (gauche)

thermoplastique (droite).

La majorité des composites à matrice organique sont fabriqués à partir de résines thermodurcissables. Ces résines possèdent des propriétés mécaniques élevées. Cependant, elles ne peuvent être mise en œuvre qu’une seule fois, le processus de polymérisation n’étant pas réversible.

Les matrices thermodurcissables présentent, quant à elles, une structure linéaire (ou légèrement ramifiée) et ne sont polymérisées qu’après leur mise en forme définitive avec des liaisons chimiques fortes (figure I-13 gauche). Les résines thermoplastiques ont des propriétés mécaniques plus faibles mais une résilience (résistance à l’impact) beaucoup plus importante. Elles se présentent sous la forme solide et se transforment de manière réversible à haute température, grâce à leurs liaisons électriques faibles (figure I-13 droite).

Ces dernières années, un grand nombre d’études a été réalisé afin d’évaluer les relations entre le développement des incendies et la dégradation des composites [18-22]. Cependant, il reste encore beaucoup travail en raison du caractère non déterministe du procédé de fabrication des matériaux composites. En effet, comme cela est suggéré par le Conseil européen des matériaux et de la modélisation (créer sur une initiative de la Commission européenne, ce conseil regroupe toutes les parties prenantes des communautés

apparentées), même les matériaux métalliques présentent des inclusions et ruptures locales pouvant rendre leurs comportements difficiles à prédire [23]. Or, les matériaux composites sont encore plus hétérogènes. En effet, en fonction du type de fibre, du type de résine ou bien des fractions volumiques de chaque composés le comportement d’un matériau au feu peut changer de manière importante [24-26].

I.2.2. Matériaux étudiés

Dans ce travail de thèse, deux matériaux appartenant à deux familles de matrice distinctes sont étudiés : les composites thermodurcissables et les composites thermoplastiques. La résine thermodurcissable est une résine phénolique tandis que la résine thermoplastique est une résine Poly-ether-ketone-ketone (PEKK). Ces deux matériaux possèdent un renfort en fibres de carbone d’un diamètre d’environ 7 µm.

I.2.2.1. Composite thermodurcissable : Le carbone-phénolique

Le composite carbone-phénolique appartient à la famille des composites dit thermodurcissables. Comme annoncé précédemment, ces derniers sont des composites qui ne peuvent être mis en forme qu’une seule fois, lors de leur synthèse. À l’échelle de la microstructure, ils se présentent sous la forme de réseaux continus d’atomes reliés chimiquement entre eux par des liaisons fortes (covalentes). Le carbone-phénolique est un composite typiquement utilisé comme protection thermique dans les applications spatiales pour les tuyères de fusée [27] ou bien comme bouclier thermique pour les appareils de rentrée atmosphérique [28]. Il est également possible de lui trouver des applications dans le domaine de l’automobile [29] ou encore comme barrière thermique pour des applications navales [30]. La résine phénolique est obtenue par une réaction de polymérisation entre le phénol C6H6OH (ou acide carbolique) et un formaldéhyde (voir figure I-14).

Figure I-14. Schéma du groupe phénol et du formaldéhyde utilisés pour la polymérisation de la résine

phénolique.

Le phénol est un composé aromatique constitué d’un groupe phényle ainsi que d’un groupe hydroxyle (-OH) tandis que le formaldéhyde est un composé organique (le CH2O). Le monomère issu de la polymérisation est présenté sur la figure I-15.

Une description détaillée du processus de polymérisation du matériau est disponible dans la littérature [31]. Les résines phénoliques appartiennent au groupe des résines à faible inflammation. En effet, lorsque celles-ci sont exposées à une source de chaleur ou un feu, leur décomposition entraine une production importante de résidus charbonneux (jusqu’à 50 % de la masse initiale) et une faible quantité de volatils inflammables [9]. De plus, une fois que le composite est enflammé, il est possible de l’éteindre facilement. Ces propriétés indiquent donc que l’utilisation de ce composite est facilement envisageable pour des protections thermiques dans des environnements où la température est élevée.

I.2.2.2. Composite thermoplastique : le carbone-PEKK

La résine Poly-ether-ketone-ketone (PEKK) est un thermoplastique semi-cristallin (les polymères semi-cristallins ne se cristallisent que partiellement dû aux irrégularités ou ramifications présentes dans le monomère) appartenant à la famille des polyaryl-ether-ketone (PAEK). Les composites thermoplastiques appartenant à la famille des PAEK suscitent actuellement un grand intérêt de la communauté scientifique et des industriels, en particulier ceux de l’industrie aéronautique. Ces polymères sont connus pour leurs bonnes performances mécaniques, leurs propriétés intéressantes à l’impact, ainsi que leur résistance élevée aux attaques chimiques et à l’oxydation. Ils possèdent également une très bonne stabilité à haute température. De plus, Ils sont généralement recyclables et soudables entre eux. Les thermoplastiques appartenant à la famille des PAEK ont également l’avantage d’être consolidables hors autoclave. La consolidation hors autoclave permet notamment de diminuer le temps de mise en œuvre et par conséquent d’augmenter les cadences de production de ce type de matériaux.

Les composites appartenant à la famille des PAEK sont constitués de cycles aromatiques très stables liés par un atome d’oxygène (liaison éther) et/ou d’un groupe carbonyle (cétone) comme le montre la figure I-16 pour le PEKK, qui possède une majorité de fonctions cétones. Les propriétés des PAEK dépendent principalement du rapport éther/cétone [32]. Par exemple, plus la quantité de cétone est grande, plus la température des différentes transitions thermiques augmente. Ce phénomène est dû à l’accroissement de la rigidité des chaînes polymère provoqué par l’augmentation de fonctions cétones.

Ainsi, l’augmentation de la rigidité des chaînes polymères augmente les températures de transition vitreuse1 (Tg) et de fusion2 (Tf). Dans le tableau I-3, les différentes températures sont présentées pour la famille des PAEK.

Tableau I-3. Évolution des températures caractéristiques pour les polymères PAEK.

Polymère N= éther/cétone Tg (°C) Tf (°C) PEKK 0,5 165 386 PEKEKK 2/3 161 377 PEEKK 1 158 363 PEK 1 154 367 PEEK 2 143 334

Les résines PEKK ont été introduites pour la première fois en 1988 par DuPont à destination de l’industrie aéronautique [33]. Les chaines polymère de la résine PEKK possèdent une majorité de fonction cétone. Cela a pour conséquence d’augmenter la polarité de la chaîne ainsi que sa rigidité rendant le matériau plus cassant et donc fragile. Les résines sont obtenues par une réaction de polymérisation du diphényléther ou phénoxybenzène (C12H10O) avec du chlorure de terephtaloyle (C8H4Cl2O2). D’avantage de détails sur cette réaction de polymérisation ainsi que sur la structure de la résine sont disponibles dans la littérature [33]. Les composites à base de résine PEKK sont majoritairement utilisés dans le domaine aéronautique [34] et plus particulièrement pour les structures extérieures ainsi que les intérieures cabines (portes, parois ou encore les galley). En effet, la faible inflammabilité de la résine combinée à ses faibles émissions de fumée lorsqu’il est soumis au feu en fait un atout non négligeable.

Comme pour la résine phénolique présentée précédemment, la dégradation de la résine PEKK produit une quantité importante de résidus charbonneux (environ 60% de la masse initiale) due à la concentration importante de groupes aromatiques [35]. Cependant, la résine PEKK présente une plus haute tenue thermique (les températures de transition vitreuse et de fusion sont de Tg =156 °C et de Tf =338 °C [36]).