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Des coutures en nanotubes de carbone pour renforcer les aérocomposites


Une nouvelle méthode, développée par le MIT, pourrait contribuer à alléger les aérostructures, tout en améliorant leur résistance à l’impact.

Les avions récemment développés par Boeing et Airbus sont majoritairement composés de matériaux composites structuraux, à base de fibres de carbone. Ces matériaux sont très légers et ont une durée de vie importante, ce qui a permis d’alléger la masse de ces appareils de 20 % par rapport aux avions à structure en aluminium. Ces allègements se traduisent par des économies de carburant – un des principaux atouts des aérocomposites.

Cependant, les matériaux composites sont aussi étonnamment vulnérables : si l’aluminium peut supporter des chocs relativement importants avant de se fissurer, les couches qui constituent les composites peuvent se séparer sous l’effet d’impacts relativement faibles – c’est le talon d’Achille de ces matériaux.

Les ingénieurs aéronautiques du MIT ont mis au point une nouvelle technique pour lier les couches des composites de façon à augmenter significativement leur résistance aux impacts. Les résultats de leurs travaux ont été publiés au début du mois d’août dans la revue Composites Science and Technologie.

Les chercheurs ont lié les plis de composite entre eux grâce à des nanotubes de carbone. Ils ont préparé des « forêts » miniatures de nanotubes de carbone qu’ils ont insérées entre les couches de composites à fibres de carbone. Les nanotubes agissent comme des coutures transverses qui améliorent la cohésion des différents plis de composite.

Couture transverse des matériaux composites

Plis dans un stratifié – Nanotubes de carbone alignés, insérés à l’interface entre chaque pli – Microfibres de carbone dans une matrice polymère. Crédit photo : équipe de recherche du MIT.

Des essais réalisés sur ces matériaux « cousus » ont démontré une amélioration de la résistance mécanique  allant jusqu’à 30 %, par rapport aux composites classiques.

Une question de taille

Ce point faible des composites est connu depuis longtemps, et des techniques existent déjà pour renforcer la cohésion entre les couches, comme le tissage 3D ou l’épinglage transverse. Ces renforts ont cependant l’inconvénient de dégrader les propriétés du composite dans les autres directions.

« Un fil de couture, ou une épingle, sont des milliers de fois plus gros que les fibres de carbone », explique le professeur Brian Wardle. « Quand vous les insérez à travers le composite, vous cassez des milliers de fibres et endommagez le composite. »

Les nanotubes de carbone ne mesurent que 10 nanomètres de diamètre – ils sont presque un million de fois plus petits que les fibres de carbone.

« C’est une question de taille, qui nous permet d’insérer ces nanotubes sans perturber les fibres de carbone, et c’est ce qui nous permet de maintenir les propriétés [initiales] du composite » déclare Brian Wardle. « Ce qui nous aide à améliorer la résistance [au délaminage], c’est que les nanotubes de carbone offrent une surface de contact avec la résine 1000 fois supérieure à celle des fibres de carbone. »

Cultiver des forêts de nanotubes de carbone

Les chercheurs ont réutilisé une technique mise au point par l’équipe de Brian Wardle pour faire pousser une forêt de nanotubes de carbone verticaux. Ils ont ensuite transféré cette forêt sur un pli de composite non polymérisé, et ont répété la procédure jusqu’à constituer un empilement de 16 plis de carbone préimprégnés – un stratifié standard – intégrant les nanotubes de carbone entre chaque pli.

Pour évaluer la résistance du matériau, l’équipe lui a fait subir deux séries d’essais classiques pour les aérocomposites : des essais de tractions sur échantillons percés et équipés d’une vis, et des essais de compression sur échantillons percés. Par rapport à des composites classiques, les composites renforcés transversalement de nanotubes de carbone ont montré une résistance améliorée de 30 % en traction et de 14 % en compression.

Les chercheurs estiment que ces résultats présagent d’une résistance accrue aux impacts et d’une meilleure tenue dans les zones d’interface.

En traitant directement le principal point faible des composites, ces travaux pourraient inciter les concepteurs à faire davantage appel à ces matériaux, ce qui continuerait à réduire la masse des avions et leur consommation de carburant.

 

Source : « Carbon nanotube “stitches” strengthen composites », Jennifer Chu, MIT News Office, 2 août 2016

Les recherches étaient conduites par Roberto Guzman, alors post-doctorant au MIT dans le département d’Aéronautique et d’Astronautique, aujourd’hui membre de l’Institut IMDEA en Espagne. Les co-auteurs de l’étude sont le professeur Brian Wardle, du département d’Aéronautique et d’Astronautique, et des chercheurs de l’entreprise suédoise SAAB.


A propos de Magalie Castaing

Après 10 ans d’ingénierie mécanique dans le secteur de la défense, j’ai créé une entreprise de développement web : Kasutan. Le Journal du composite est l’intersection de mes différents métiers : ingénierie, langues et internet.