Matériaux composites hautes performances … · Matériaux composites hautes performances...
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Matériaux composites hautes performances polymérisés sous rayonnements ionisants
Brigitte Defoort et Guy LarnacAstrium Space Transportation - 33160 Saint Médard en Jalles
INTRODUCTION
Contexte industriel dans le groupe EADS
Groupe EADS- Astrium ST (lanceurs Ariane5, M51)- Astrium Satellite
- Airbus- Eurocopter (…)
Activités très diversifiées, avec des points communs :- Orientées vers le l’aéronautique ou le spatial
- Haute valeur ajoutée
- Très hautes performances
- Séries limitées
- Marché de plus en plus concurrentiel
M51
Ariane 5ESC-B
Pourquoi utilise t-on les matériaux compositesdans le spatial et l ’aéronautique ?
Raideur et contrainte spécifique :
– Permet des concepts innovants et des avancées techniques
impossibles avec du métallique
• Lanceurs ré-utilisables,
• Poutre centrale A380…
– Permet des gains de masse importants
• Intégration des fonctions dès la conception
– Permet des gains financiers
Caractéristiques radio électrique
• Radômes, Antennes
Stabilité dimensionnelle
• Support télescope, réflecteurs...
Problématiques rencontrées avec ces matériaux de manière générale :
- Liaisons : collage / rivetage
– durabilité, justification, procédés sensibles, contrôlabilité
- Sensibilité aux chocs : tolérance aux dommages
- Tenue aux ambiances : corrosion saline, vieillissement
humide, thermo oxydation, rayonnement U.V…
- Pérennité des constituants : ré-organisations industrielles, régulation, REACH…
- Concurrence des marchés, économie mondiale
Répartition des coûts sur une structure composite
- Répartition des coûts pour une structure composite à
fibre de carbone de grande dimension (1 exemple application AST)
Répartition
Materiau ~ 34%
Réalisation + ~ 66%
- Réduction du coût des matières premières
- Politique de « sourcing »,
- Rationalisation de la gamme des produits,
- Automatisation des procédés
- Drappage automatique,
- Utilisation de la technologie dépose contact,
- Procédés de tissage multi-D,
- Bobinage : Utilisation de nappes larges et épaisses.
- Suppression des phases les + coûteuses : Autoclave
- Développements de résines à rhéologie adaptées (étuve,
process quickstep chez Eurocopter),
- Développement de procédés hors autoclave (EB, RX),
pouvant à terme être intégrés dans les procédés de
réalisation.
Les axes de développement
Les moyens de polymérisation EB, RX
Suppression des phases les + coûteuses : Autoclave
Développement de la polymérisation par ionisation
Principe
� Utilisation accélérateur e-/RX� Résines acrylates, époxy + amorceur, BMI fonctionnalisées...
Intérêt
�Elévation de température limitée (outillages)�Pièces complexes, pièces épaisses� Arrêt et reprise de polymérisations
� Polymérisations locales : liaisons� Réparation
� Procédé automatisable
Unité de polymérisation haute énergie à Astrium ST
Built in1991
UNIPOLIS
• LINAC (Thomson-CSF)Beam : 10 MeV, 20 kWPulsing frequency 50-500 HzScanning : 350-550 mmXray target : Tungsten+cooling
• UNIPOLIS FacilityConcrete mass: 9000 tons Max wall thickness: 3.2 mDoor: 350 tonsIonization cell: 22x12x6 m
10
Unité de polymérisation pilote basse énergie : Airbus Espagne
- Polymérisation couche à
couche
- Table pilote avec 4 axes
- Système flexible et
adaptable
- Alimentation rouleaux
prepreg 3“ de large
- Destiné à la recherche
et développement
Crédit : Airbus SP
Unité de polymérisation pilote basse énergie : Airbus Espagne
Principe du moyen
- Système de dépose
- Compaction US
- Polymérisation EB
- Traitement thermique
- Plasma (application
collage)
Crédit : Airbus SP
Exemples de réalisations industrielles
Polymérisation EB de structures bobinées
- Application militaire
- 10 structures échelle 1
- Diamètre 2.5 m, longueur 6m
- Durée de réalisation réduite
- Outillage
• De l’échelle laboratoire • A la production
Programmes de démonstration : la polymérisation sous rayonnement pour applications diverses
- Customer : Eurocopter
- Program : Technicopolis
- Manufacture of a Helicopter
swash plate by RTM
- Strong advantage of the
technology in term of processing
window and resin stability.
- Customer : Northrop
- Manufacture of a demonstration
part by lay up and RTM
- Strong advantage of the
technology in term of cost.
- Resin in the 200°C range.
Programmes de démonstration : la polymérisation sous rayonnement pour applications diverses
- Customer : Intermarine
- Program : Technicopolis
- Manufacture of a large boat
hull in glass fiber
- Strong advantage of the
technology in respect of the
environment, cost and
manufacturing speed.
Programmes de démonstration : la polymérisation sous rayonnement pour applications diverses
2 points incontournables pour les applications hautes performances spécifiques à nos applications :
- Maitriser le procédé…- Optimiser les matériaux…
- Process modeling : modeling of dose deposition
- Modeling of curing kinetics
- Mastering of the curing
process
Modélisation du procédé
1 phD study
Les matériaux composites
- Les propriétés mécaniques sont insuffisantes lorsque le matériau est sollicité dans la direction perpendiculaire aux fibres (Sigma 2 faible)
- Les causes potentielles ont été analysées et toutes étudiées.
Transverse
properties
improvement
Transverse
properties
improvement
Volume
contraction
Volume
contraction
Matrix
toughness
Matrix
toughness
Fibers
treaments
Fibers
treamentsWetingWeting
Interactions
e- / matter
Interactions
e- / matter
Main achievementsInteractions between electrons and matter
- Modeling interactions between electrons and matter is
a complex subject (at the micron level). A model was developped, no experimental validation was done
(very difficult to perform).
- No specific problem at the fiber matrix interface is highlited by the modeling approach.
- No specific problem at the fiber matrix interface is
highlited on composite by experiments (evaluation of mechanical properties).
1 phD study
- Chemical functions at the carbon
fiber surface inhibits/slows down
polymerization reactions.
- Polymerisation at the interface is
delayed, and stops before
completion due to the lack of
mobility generated by the matrix
polymerisation.
- As a results, even if the core
matrix is cured, the matrix at the
interface is undercured: rupture occurs there.
Compréhension du problème d’adhésion fibres / matrices
Conversion Profil cinétique de la matrice à coeur
Profil cinétique de la matrice dans l’interphase
Vitrification globale du système
Phénomène d’inhibition de la
polymérisation dans l’interface
πc
πi
Durée de l’irradiation
Conversion Profil cinétique de la matrice à coeur
Profil cinétique de la matrice dans l’interphase
Vitrification globale du système
Phénomène d’inhibition de la
polymérisation dans l’interface
πc
πi
Durée de l’irradiation
After Drzal
Amélioration de l’adhésion fibre / matrice
- Greffer une fonction chimique ayant un effet sensibilisateur depolymérisation et entrainant des transfert de chaîne (mise en évidence de l’effet recherché par des essais composés modèles avec le dodécanethiol)
Fibre
SH .M
Fibre
S.
Radical en
croissance HM
Transfert
Propagation d’une
nouvelle chaîne à
partir d’un
monomère
OU
propagation à partir
d’une chaîne
pendante
SFibre
Lien covalent avec le réseau
HOOC
HOOC
SH
N CH2
CH3
CH3
CH2 O CC CH2
CH3
O
OO
OO
DGEBA Acide thiomaliqueMéthacrylate de
diméthylaminoéthyle
- Résultats très prometteurs au niveau du composite, mais nécessitéde réaliser une industrialisation (difficultés de la maitrise des fibres de carbone et des ensimages)
P. Ponsaud, LCOM 2 patents ; F.Vautard, ICSI, 1 patentP. Ponsaud, LCOM 2 patents ; F.Vautard, ICSI, 1 patent
Mise en évidence de l’amélioration de l’adhésion
After Drzal and Defoort
Amélioration de la résistance à la propagation de fissure des matrices (Obj. TOLDOM)
- Addition d’un matériau thermoplastique
dédié compatible des systèmes
acrylates a permis une amélioration de
ténacité des résines, les amenant à un
niveau comparable aux meilleurs
équivalents thermiques
(E. Chauray, LCPO, patented)(E. Chauray, LCPO, patented)
- Une nouvelle approche permet
d’obtenir des ténacités très élevées ;
supérieures aux références thermiques
tout en gardant des viscosités faibles,
ce qui s’avère extrêmement intéressant
pour la mise en œuvre par RTM
(pièces complexe, application Airbus)(M. Krzeminski, ICMR patent pending)(M. Krzeminski, ICMR patent pending)
L
C
t
2h
b
Vers une industrialisation des travaux de recherche…
Astrium ST + ICMR
Airbus/ FIDAMC-EADS
IW Spain
Fiber and prepreg
manufacturer (Hexcel)
� Knowledge and ability to manufacture prepreg (pilot line)
� Knowledge of fibre sizing process
� Capacity to implement a lab scale concept to larger scale
� Technical support for EB curing and material characterization
� Design and spec for demonstration part
� Tooling
� Patent portfolio
� Knowledge in EB process and chemistry
� Technical support for EB curing (UNIPOLIS facility)
�ICMR: expertise in EB curing chemistry, chemical engineering
Conclusion
- La polymérisation sous rayonnement peut permettre des
gains industriels significatifs ; elle est intéressante dans le
cadre de l’intégration des procédés,
- La faisabilité de structures de grandes dimensions est démontrée a un niveau de maturité élevée,
- Les matériaux ne sont pas à ce jour au niveau de
performance attendues,
- Des travaux de laboratoires très intéressants laissent
entrevoir des perspectives prometteuses,
- L’objectif d’Astrium est d’aller vers une industrialisation des travaux de recherche pour développer des composites
polymérisées sous rayonnement avec les performances
visées.
Remerciements
Le travail de nombreux partenaires académiques a été cité.
- Merci à :
– ICMR, Reims, X. Coqueret, M. Krzeminski
– LCOM, Lille, X. Coqueret, G. Lopitaux, P. Ponsaud
– LCPO, Bordeaux, E. Chauray et Mr Soum
– ICSI, Strasbourg ; J. Schultz, M. Nardin et F. Vautard
– LEGP, CPAT