Analyse de l’intégration des matériaux composites en aéronautique

L’intégration des composites aéronautiques est analysée à travers l’étude des matériaux à base de fibres de carbone et de verre, mettant en lumière leurs propriétés mécaniques et physiques. Des essais statiques, de fatigue et des simulations Abaqus révèlent leur potentiel pour des applications spécifiques dans l’industrie aéronautique.

Intégration des matériaux composites dans l’aéronautique

Les matériaux composites ont une bonne résistance aux chocs et au feu, et assurent une meilleure isolation thermique, acoustique et électrique. De manière générale, les solutions composites sont toujours un saut technologique pour les industriels car les composites offrent des possibilités de réaliser des produits spécifiquement adaptés aux propriétés recherchées.¹

La direction privilège de chaque couche qui compose le stratifié de composite permet une conception spécifique pour chaque situation en charge et donc un poids réduit par rapport à la conception d’un matériau métallique dont les propriétés sont les mêmes dans toutes les directions. Cette orientation est obtenue en alignant des fibres bidirectionnelles très dur, en carbone ou en verre, dans une matrice plus souple (une résine).²

Source :

Figure I.15 : Taux des matériaux composites dans la structure de Boing787 ²

Dans la Figure I.15 ci-dessus un dessin qui décrit la distribution de différentes natures des matériaux dans la structure d’un aéronef (B787) ou le composite représente 50%.

Source :

Figure I.16 : Evolution d’intégration des matériau composite dans aéronefs ¹

L’utilisation des matériaux composites depuis les années 1970 dans la fabrication des avions ne cesse d’augmenter¹ , D’après la Figure I.16, on constate qu’en 40 ans, on est passé de moins de 9% en composite à plus de 50% de la masse totale des matériaux. L’A380 est près de 25% au poids, et l’A350XWB est supérieur à 50% en poids dans l’année 2015. Le Boing777 présente une valeur de 12% du composite dans l’année 1995 tandis que le Boing787 présente un saut technologique avec 50% de composite en 2010.

A savoir aussi que tous les avions de la nouvelle génération sont constitués d’un pourcentage élevé de matériau composite non seulement en fuselage mais aussi pour l’équipement intérieur de l’avion.

Les avantages des matériaux composites pour utilisation aéronautique

• Ils sont associés à de nombreuses possibilités de conception ce qui permet de construire des avions de plus en plus légers, réduisant ainsi les dépenses de carburant et économisant ainsi combustibles fossiles et bien sûr la réduction de la pollution.
• Une grande résistance à la fatigue entraîne donc une maintenance réduite.
• Insensibles aux produits chimiques « mécaniques  » comme les graisses, huiles, peintures, solvants et le pétrole.
• Faible vieillissement sous l’action d’humidité, de la chaleur et de la corrosion (sauf en cas de contact entre l’aluminium et les fibres de carbone).³

Les inconvénients des matériaux composites destinés à l’aéronautique

• Le vieillissement sous l’action d’eau et de la température (la température est basse lorsque l’avion est en vol mais élevée dans le hangar des avions par exemple au désert ou la température peut dépasser 50 ºC).
• Tenue à l’impact moyenne par rapport aux métaux.
• Emission de fumées parfois toxiques pour certaines matrices en cas de feu⁴.

Les exigences des matériaux composites stratifiés en aéronautique

Les composites renforcés de fibres à base de résines thermodurcissables permettent d’atteindre d’excellentes performances mécaniques sont très appropriées pour l’aéronautique et les voitures premium de course⁵. A ce critère est venue s’ajouter depuis plusieurs années et d’une manière cruciale, une exigence de dimensionnement à la fatigue. La raison en est que les matériaux composites ne sont plus confinés à des parties dites secondaires, c’est-à-dire ne reprenant que peu d’efforts, mais à des structures primaires largement sollicitées, pour lesquelles une sécurité accrue est exigée.⁶

Pour de nombreux stratifiés aérospatiaux, chaque pli a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,25 mm et contient des fibres noyées dans une fine couche de matrice polymère.

Dans un stratifié, l’orientation des fibres par rapport à la direction de chargement principale peut varier d’un à l’autre. L’ordre dans lequel les strates avec différentes orientations de fibres sont empilées est appelé la séquence d’empilement et est conçu pour obtenir la rigidité et la résistance souhaitée pour le stratifié.

Source :

Figure I.17 : Stratifié à plis de construction [0/90/0/0/90/0º] ⁷

Les couches à 90° aident à réduire la fissuration entre les fibres dans les couches à 0°, ce qui est souvent un problème si la structure ne contient que des fibres à 0°.

Conclusion

Les principales raisons d’utiliser des matériaux composites dans la structure d’aviation en première classe consiste à réduire la masse tout en maintenant l’excellence du comportement mécanique.

Le changement d’orientation entre les couches de renforts dans le stratifié aident à réduire la fissuration entre les fibres donc améliorer les propriétés mécaniques de ces composites.

Références du chapitre I

1. Summerscales, J., Microstructural characterisation of fibre-reinforced composites. 1998: CRC Press.
2. Costa, J.P.M.r., Caractérisation et modélisation des interfaces dans les composites organiques stratifiés à haute température: Application à la tenue au feu des structures aéronautiques, 2021, ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechique-Poitiers.
3. Pommier, S., Science des Matériaux (LA 314).
4. Jean Pierre Mercier, Gérald Zambelli, Wilfried Kurz, Introduction à la science des matériaux, PPUR, 1999
5. Charmet, J.-C., Mécanique du solide et des matériaux Elasticité-Plasticité-Rupture. ESPCI-Laboratoire d’Hydrodynamique et Mécanique Physique, 2005: p. 113-144.
6. Aribi, C., Étude comparative du comportement des différents matériaux composites (différentes matrices), 2012, Université de Boumerdès-M’hamed Bougara.
7. Basaid, Djamel. <i>Simulation Numérique Du Comportement Macroscopique Des Matériaux Hétérogènes À Matrice Élastique Et Inclusion Élastoplastique Pour L’utilisation En Construction Aéronautique</i>. 2019. Université M’hamed Bougara – Boumerdes, Thèse de Doctorat.
8. Hertz-Clemens, S., Etude d’un composite aéronautique à matrice métallique sous chargements de fatigue: sollicitation mécano-thermique et propagation de fissures, 2002, École Nationale Supérieure des Mines de Paris.
9. Dumont-Fillon, J., Contrôle non destructif (CND). 1996: Ed. Techniques Ingénieur.
10. Berthelot, J.-M., Matériaux composites. Comportement mécanique et analyse des structures, 1999. 4.
11. Latifa, M.B.H., Elaboration de matériaux composites biodégradables issus de ressources renouvelables, 2016, Université de Mostaganem.
12. Friedrich, K., L. Chang, and F. Haupert, Current and future applications of polymer composites in the field of tribology, in Composite materials. 2011, Springer. p. 129- 167.
13. Ledru, Y., Etude de la porosité dans les matériaux composites stratifiés aéronautiques, 2009.
14. Vannucci, P., Matériaux composites structuraux, 2007, Université de Versailles et Saint-Quentin-en-Yvelines.
15. Nguyen, A.V., Matériaux composites à renfort végétal pour l’amélioration des performances de systèmes robotiques, 2015, Université Blaise Pascal-Clermont- Ferrand II.
16. Tossou, E., Développement de nouveaux composites hybrides renforcés par des fibres de carbone et de lin: mise en oeuvre et caractérisation mécanique, 2019, Normandie Université.
17. Fendzi, C., Contrôle Santé des Structures Composites: application à la Surveillance des Nacelles Aéronautiques, 2015, Paris, ENSAM.
18. Kerfriden, P., Stratégie de décomposition de domaine à trois échelles pour la simulation du délaminage dans les stratifiés, 2008, École normale supérieure de Cachan-ENS Cachan.
19. Chapuis, D., V. Aerts, and R. Bonneville, Chapitre 4: Les nouveaux matériaux composites pour l’aéronautique par Vincent Aerts, in Chimie, aéronautique et espace. 2021, EDP Sciences. p. 75-84.
20. Monti, M., et al., Design, manufacturing and FEA prediction of the mechanical behavior of a hybrid-molded polycarbonate/continuous carbon fiber reinforced composite component. Composites Part B: Engineering, 2022. 238: p. 109891.
21. Renard, J., Fatigue des matériaux composites renforcés de fibres continues. 2010: Ed. Techniques Ingénieur.
22. P.K.Malick. « Processing of Polymer Matrix Composites ».CRC press Broken Sound Parkway NW (2018).

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¹ Fendzi, C., Contrôle Santé des Structures Composites: application à la Surveillance des Nacelles Aéronautiques, 2015, Paris, ENSAM. ↑

² Kerfriden, P., Stratégie de décomposition de domaine à trois échelles pour la simulation du délaminage dans les stratifiés, 2008, École normale supérieure de Cachan-ENS Cachan. ↑

³ Chapuis, D., V. Aerts, and R. Bonneville, Chapitre 4: Les nouveaux matériaux composites pour l’aéronautique par Vincent Aerts, in Chimie, aéronautique et espace. 2021, EDP Sciences. p. 75-84. ↑

⁴ Costa, J.P.M.r., Caractérisation et modélisation des interfaces dans les composites organiques stratifiés à haute température: Application à la tenue au feu des structures aéronautiques, 2021, ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechique-Poitiers. ↑

⁵ Monti, M., et al., Design, manufacturing and FEA prediction of the mechanical behavior of a hybrid-molded polycarbonate/continuous carbon fiber reinforced composite component. Composites Part B: Engineering, 2022. 238: p. 109891. ↑

⁶ Renard, J., Fatigue des matériaux composites renforcés de fibres continues. 2010: Ed. Techniques Ingénieur. ↑

⁷ P.K.Malick. « Processing of Polymer Matrix Composites ».CRC press Broken Sound Parkway NW (2018). ↑