Utilisation de divers matériaux dans le Boeing 787 Dreamliner.[1]

Matériaux compositesW sont largement utilisés dans l'industrie aéronautique et ont permis aux ingénieurs de surmonter les obstacles rencontrés lors de l'utilisation des matériaux individuellement. Les matériaux constitutifs conservent leur identité dans les composites et ne se dissolvent pas ou ne se fondent pas complètement les uns dans les autres. Ensemble, les matériaux créent un matériau «hybride» qui a des propriétés structurelles améliorées.

Le développement de matériaux composites légers et résistants aux hautes températures permettra à la prochaine génération d'avions économiques et performants de se matérialiser. L'utilisation de tels matériaux réduira la consommation de carburant, améliorera l'efficacité et réduira les coûts d'exploitation directs des aéronefs.

Les matériaux composites peuvent être façonnés en diverses formes et, si désiré, les fibres peuvent être enroulées étroitement pour augmenter la résistance. Une caractéristique utile des composites est qu'ils peuvent être stratifiés, les fibres de chaque couche s'étendant dans une direction différente. Cela permet à un ingénieur de concevoir des structures avec des propriétés uniques. Par exemple, une structure peut être conçue de manière à se plier dans une direction, mais pas dans une autre.[2]

Synthèse de composites de base[edit | edit source]

Exemple de matériau composite de base.

Dans un composite de base, un matériau agit comme une matrice de support, tandis qu'un autre matériau s'appuie sur cet échafaudage de base et renforce l'ensemble du matériau. La formation du matériau peut être un processus coûteux et complexe. Essentiellement, une matrice de matériau de base est disposée dans un moule à haute température et pression. Un époxy ou une résine est ensuite versé sur le matériau de base, créant un matériau solide lorsque le matériau composite est refroidi. Le composite peut également être produit en noyant des fibres d'un matériau secondaire dans la matrice de base.

Les composites ont une bonne résistance à la traction et à la compression, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans la fabrication de pièces d'avion. La résistance à la traction du matériau provient de sa nature fibreuse. Lorsqu'une force de traction est appliquée, les fibres du composite s'alignent avec la direction de la force appliquée, donnant sa résistance à la traction. La bonne résistance à la compression peut être attribuée aux propriétés adhésives et de rigidité du système de matrice de base. C'est le rôle de la résine de maintenir les fibres en colonnes droites et de les empêcher de flamber.

Aéronautique et composites[edit | edit source]

Les matériaux composites sont importants pour l'industrie aéronautique car ils offrent une résistance structurelle comparable aux alliages métalliques, mais à un poids plus léger. Cela conduit à une amélioration du rendement énergétique et des performances d'un avion.[3][4]

Le rôle des composites dans l'industrie aéronautique[edit | edit source]

Utilisation de divers matériaux dans le Boeing 787 Dreamliner.[1]

La fibre de verre est le matériau composite le plus courant et se compose de fibres de verre intégrées dans une matrice de résine. La fibre de verre a été largement utilisée pour la première fois dans les années 1950 pour les bateaux et les automobiles. La fibre de verre a été utilisée pour la première fois dans le Boeing 707 dans les années 1950, où elle représentait environ 2 % de la structure. Chaque génération de nouveaux avions construits par Boeing avait un pourcentage accru d'utilisation de matériaux composites; le plus élevé étant une utilisation composite de 50 % dans le 787 Dreamliner.

Le Boeing 787 Dreamliner sera le premier avion commercial dont les principaux éléments structurels seront en matériaux composites plutôt qu'en alliages d'aluminium.[1] Il y aura un passage des composites de fibre de verre archaïques à des composites de stratifié de carbone et de sandwich de carbone plus avancés dans cet avion. Des problèmes ont été rencontrés avec le caisson d'aile du Dreamliner, qui ont été attribués à une rigidité insuffisante des matériaux composites utilisés pour construire la pièce.[1] Cela a entraîné des retards dans les dates de livraison initiales de l'avion. Afin de résoudre ces problèmes, Boeing rigidifie les caissons de voilure en ajoutant de nouveaux supports aux caissons de voilure déjà construits, tout en modifiant les caissons de voilure qui restent à construire.[1]

Essais de matériaux composites[edit | edit source]

Il s'est avéré difficile de modéliser avec précision les performances d'une pièce en composite par simulation informatique en raison de la nature complexe du matériau. Les composites sont souvent superposés pour plus de résistance, mais cela complique la phase de test de pré-fabrication, car les couches sont orientées dans des directions différentes, ce qui rend difficile de prédire comment elles se comporteront lors des tests.[1]

Des tests de contraintes mécaniques peuvent également être effectués sur les pièces. Ces tests commencent par des modèles à petite échelle, puis passent à des parties progressivement plus grandes de la structure, et enfin à la structure complète. Les pièces structurelles sont placées dans des machines hydrauliques qui les plient et les tordent pour imiter des contraintes qui vont bien au-delà des pires conditions attendues lors de vols réels.

Facteurs d'utilisation des matériaux composites[edit | edit source]

La réduction de poids est le plus grand avantage de l'utilisation de matériaux composites et est l'un des facteurs clés dans les décisions concernant sa sélection. D'autres avantages incluent sa haute résistance à la corrosion et sa résistance aux dommages dus à la fatigue. Ces facteurs jouent un rôle dans la réduction des coûts d'exploitation de l'avion à long terme, améliorant encore son efficacité. Les composites ont l'avantage de pouvoir être formés dans presque n'importe quelle forme en utilisant le processus de moulage, mais cela complique le problème de modélisation déjà difficile.

Un inconvénient majeur de l'utilisation des composites est qu'il s'agit d'un matériau relativement nouveau et, en tant que tel, d'un coût élevé. Le coût élevé est également attribué au processus de fabrication à forte intensité de main-d'œuvre et souvent complexe. Les composites sont difficiles à inspecter pour détecter les défauts, alors que certains d'entre eux absorbent l'humidité.

Même s'il est plus lourd, l'aluminium, en revanche, est facile à fabriquer et à réparer. Il peut être bosselé ou perforé et tenir toujours ensemble. Les composites ne sont pas comme ça; s'ils sont endommagés, ils nécessitent une réparation immédiate, ce qui est difficile et coûteux.

Économies de carburant avec un poids réduit[edit | edit source]

La consommation de carburant dépend de plusieurs variables, notamment : le poids de l'avion à sec, le poids de la charge utile, l'âge de l'avion, la qualité du carburant, la vitesse de l'air, la météo, entre autres. Le poids des composants d'avions en matériaux composites est réduit d'environ 20 %, comme dans le cas du 787 Dreamliner.[4]

Un exemple de calcul des économies totales de carburant avec une réduction de poids à vide de 20 % sera effectué ci-dessous pour un Airbus A340-300.

Les valeurs d'échantillon initiales pour cette étude de cas ont été obtenues d'une source externe.[5]

Donné:

  • Poids à vide en fonctionnement (OEW): 129 300 kg
  • Poids maximal sans carburant (MZFW) : 178 000 kg
  • Masse maximale au décollage (MTOW): 275 000 kg
  • Max. Portée @ Max. Poids : 10 458 km

D'autres quantités peuvent être calculées à partir des chiffres donnés ci-dessus :

  • Poids maximal de la cargaison = MZFW - OEW = 48 700 kg
  • Poids maximal du carburant = MTOW - MZFW = 97 000 kg

Ainsi, nous pouvons en outre calculer la consommation de carburant en kg/km sur la base du poids maximal du carburant et de l'autonomie maximale = 97 000 kg/10 458 km = 9,275 kg/km

Voici le calcul des économies de carburant anticipées avec une réduction de poids de 20 %, qui ne réduira la valeur OEW que de 20 % :

  • OEW (nouveau) = 129 300 kg * 0,8 = 103 440 kg, ce qui équivaut à une économie de poids de 25 860 kg.

En supposant que le poids de la cargaison et du carburant reste constant :

  • MZFW (nouveau) = MZFW - 25 680 kg = 152 320 kg
  • MTOW (nouveau) = MTOW - 25 680 kg = 249 320 kg

La masse de carburant de 97 000 kg a un MTOW réduit à gérer et aura donc une autonomie accrue car le poids maximum et l'autonomie maximale sont des quantités inversement proportionnelles.

Utilisation de ratios simples pour calculer la nouvelle plage :

Résoudre pour X donne une nouvelle gamme de:

  • X = 11 535,18 km

Cela donne une nouvelle valeur de consommation de carburant avec un poids réduit = 97 000 kg/11 535,18 km = 8,409 kg/km

Pour mettre cela en perspective, sur un trajet de 10 000 km, il y aura une économie de carburant d'environ 8 660 kg avec une réduction de 20 % du poids à vide.

Impact environnemental[edit | edit source]

Le recyclage des pièces d'avions déclassés est possible.[6]

Il y a un changement qui se développe de plus en plus vers l'ingénierie verte. Notre environnement fait l'objet d'une réflexion et d'une attention accrues de la part de la société d'aujourd'hui. Cela vaut également pour la fabrication de matériaux composites.

Comme mentionné précédemment, les composites ont un poids plus léger et des valeurs de résistance similaires à celles des matériaux plus lourds. Lorsque le composite plus léger est transporté ou utilisé dans une application de transport, la charge environnementale est inférieure à celle des alternatives plus lourdes. Les composites sont également plus résistants à la corrosion que les matériaux à base métallique, ce qui signifie que les pièces dureront plus longtemps.[7] Ces facteurs se combinent pour faire des composites de bons matériaux alternatifs d'un point de vue environnemental.

Les matériaux composites produits de manière conventionnelle sont fabriqués à partir de fibres et de résines à base de pétrole et ne sont pas biodégradables par nature.[8] Cela présente un problème important car la plupart des composites finissent dans une décharge une fois que le cycle de vie d'un composite arrive à son terme.[8] Des recherches importantes sont menées sur les composites biodégradables fabriqués à partir de fibres naturelles.[9] La découverte de matériaux composites biodégradables qui peuvent être facilement fabriqués à grande échelle et qui ont des propriétés similaires aux composites conventionnels va révolutionner plusieurs industries, dont l'industrie aéronautique.

Une autre option pour aider les efforts environnementaux serait de recycler les pièces usagées des avions déclassés. La « non ingénierie » d'un avion est un processus complexe et coûteux, mais peut faire économiser de l'argent aux entreprises en raison du coût élevé de l'achat de pièces de première main.[6]

Les futurs matériaux composites[edit | edit source]

Composites à matrice céramique[edit | edit source]

Des efforts importants sont en cours pour développer des matériaux composites légers et à haute température à la National Aeronautics and Space Administration (NASA) pour une utilisation dans les pièces d'avion. Des températures aussi élevées que 1650°C sont anticipées pour les entrées de turbine d'un moteur conceptuel basé sur des calculs préliminaires.[3] Pour que les matériaux résistent à de telles températures, l'utilisation de composites à matrice céramique (CMC) est nécessaire. L'utilisation de CMC dans les moteurs avancés permettra également une augmentation de la température à laquelle le moteur peut fonctionner, ce qui entraînera une augmentation du rendement.[10] Bien que les CMC soient des matériaux de structure prometteurs, leurs applications sont limitées en raison du manque de matériaux de renforcement appropriés, des difficultés de traitement, de la durée de vie et du coût.

Fibres de soie d'araignée[edit | edit source]

Les scientifiques n'ont pas encore été en mesure de re-synthétiser parfaitement la soie d'araignée.

La soie d'araignée est un autre matériau prometteur pour l'utilisation de matériaux composites. La soie d'araignée présente une ductilité élevée, permettant l'étirement d'une fibre jusqu'à 140 % de sa longueur normale.[11] La soie d'araignée conserve également sa force à des températures aussi basses que -40°C.[11] Ces propriétés rendent la soie d'araignée idéale pour être utilisée comme matériau fibreux dans la production de matériaux composites ductiles qui conserveront leur résistance même à des températures anormales. Les matériaux composites ductiles seront bénéfiques pour un avion dans des parties qui seront soumises à des contraintes variables, comme la jonction d'une aile avec le fuselage principal. La résistance, la ténacité et la ductilité accrues d'un tel composite permettront d'appliquer des contraintes plus importantes à la pièce ou à l'assemblage avant qu'une défaillance catastrophique ne se produise. Les composites à base de soie d'araignée synthétique auront également l'avantage que leurs fibres seront biodégradables.

De nombreuses tentatives infructueuses ont été faites pour reproduire la soie d'araignée en laboratoire, mais la resynthèse parfaite n'a pas encore été atteinte.[12]

Tôles d'acier composites hybrides[edit | edit source]

Un autre matériau prometteur peut être l'acier inoxydable construit en s'inspirant des composites et des fibres nanotechnologiques et du contreplaqué. Les tôles d'acier sont fabriquées dans le même matériau et peuvent être manipulées et usinées exactement de la même manière que l'acier conventionnel. Mais est un peu plus léger pour les mêmes points forts. Ceci est particulièrement précieux pour la fabrication de véhicules. En instance de brevet, la société suédoise Lamera est issue de la recherche au sein de Volvo Industries.

Conclusion[edit | edit source]

En raison de leurs rapports résistance/poids plus élevés, les matériaux composites ont un avantage sur les matériaux métalliques conventionnels ; bien qu'il soit actuellement coûteux de fabriquer des composites. Tant que des techniques ne seront pas introduites pour réduire les coûts de mise en œuvre initiaux et résoudre le problème de la non-biodégradabilité des composites actuels, ce matériau relativement nouveau ne pourra pas remplacer complètement les alliages métalliques traditionnels.

Références[edit | edit source]

  1. 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Modélisation de surface pour les matériaux composites - SIAG GD - Récupéré sur http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
  2. A à Z des matériaux - Composites : une introduction de base - Récupéré sur http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
  3. 3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Extrait de http://www.keytometals.com/Article103.htm
  4. 4.0 4.1 Le 787 Dreamliner de Boeing a un problème composite - Zimbio - Récupéré sur http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Boeing+787+Dreamliner+composite+problème
  5. Peeters, PM et al. - Efficacité énergétique des avions commerciaux (p. 16) - Extrait de http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
  6. 6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Plane - Extrait de http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
  7. Une étude de l'impact environnemental des composites - Extrait de http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
  8. 8.0 8.1 Textile Insight - Composites textiles verts - Extrait de http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
  9. A à Z des matériaux - Matériaux composites haute performance produits à partir de plastiques renforcés de fibres naturelles biodégradables - Récupéré sur http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
  10. R. Naslain - Université Bordeaux - Composites à matrice céramique - Extrait de http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
  11. 11.0 11.1 Département de chimie - Université de Bristol - Extrait de http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
  12. Wired Science - Les araignées font de la soie dorée - Récupéré sur http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
Page data
Part of MECH370
Keywords aircraft, materials, materials processing
Authors B.S.Kukreja, Johan Löfström
Published 2022
License CC-BY-SA-4.0
Affiliations Queen's University
Derivative of Composites in the Aircraft Industry
Other derivatives Verbundwerkstoffe in der Flugzeugindustrie
Language Français (fr)
Impact Number of views to this page and its redirects. Updated once a month. Views by admins and bots are not counted. Multiple views during the same session are counted as one. 29
Cookies help us deliver our services. By using our services, you agree to our use of cookies.