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#Actualités du secteur
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Le MIT produit des composites de qualité aéronautique sans four ni autoclave
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De nouvelles recherches sur les films de nanotubes de carbone pourraient simplifier la fabrication dans l'aérospatiale.
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Les ingénieurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) développent une méthode pour produire des composites de qualité aérospatiale sans les énormes fours et cuves sous pression actuellement utilisés dans le processus. Cette technique peut contribuer à accélérer la fabrication d'avions et d'autres grandes structures composites à haute performance, comme les pales des éoliennes. Les chercheurs détaillent leur nouvelle méthode dans un article publié dans la revue Advanced Materials Interfaces.
Pour comprendre le monde complexe de la construction aérospatiale en matériaux composites, le MIT décrit le fuselage d'un avion moderne comme étant fait de plusieurs feuilles de différents matériaux composites, "comme autant de couches dans une pâte phyllo" Une fois que ces nombreuses couches sont empilées et moulées en forme de fuselage, les structures non durcies sont acheminées vers des fours et des autoclaves de la taille d'un entrepôt, où les couches fusionnent pour former une enveloppe résistante et aérodynamique.
"Si vous fabriquez une structure primaire comme un fuselage ou une aile, vous devez construire une cuve sous pression, ou un autoclave parfois de la taille d'un bâtiment de trois étages, qui lui-même nécessite du temps et de l'argent pour être pressurisé", explique Brian Wardle, professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT. "Ces choses sont des pièces d'infrastructure massives. Nous travaillons à la fabrication de matériaux de structure primaire sans pression d'autoclave, afin de pouvoir nous débarrasser de toute cette infrastructure"
En 2015, le post-doctorant du MIT Jeonyoon Lee a dirigé l'équipe du laboratoire de Wardle pour créer une méthode permettant de fabriquer des composites de qualité aérospatiale sans avoir besoin d'un four pour fusionner les matériaux entre eux. Au lieu de placer des couches de matériau à l'intérieur d'un four pour les faire durcir, les chercheurs les ont essentiellement enveloppées dans un film ultrafin de nanotubes de carbone (NTC). Lorsqu'ils appliquent un courant électrique à la pellicule, les NTC, comme une couverture électrique à l'échelle nanométrique, génèrent rapidement de la chaleur, ce qui fait que les matériaux qui s'y trouvent durcissent et fusionnent ensemble.
Grâce à cette technique, appelée "hors four" ou "OoO", l'équipe a pu produire des composites aussi résistants que les matériaux fabriqués dans les fours de fabrication d'avions classiques, en utilisant seulement 1 % de l'énergie.
Un autre défi pour les chercheurs consistait à développer des moyens de fabriquer des composites à haute performance sans utiliser de grands autoclaves à haute pression - ces récipients de la taille d'un bâtiment qui génèrent des pressions suffisamment élevées pour presser les matériaux ensemble, en expulsant les vides ou les poches d'air. "Il y a une rugosité de surface microscopique sur chaque couche d'un matériau", a déclaré M. Wardle, "et lorsque vous mettez deux couches ensemble, l'air est piégé entre les zones rugueuses, ce qui est la principale source de vides et de faiblesse dans un composite. "Un autoclave peut pousser ces vides jusqu'aux bords et s'en débarrasser."
Des chercheurs, dont le groupe de Wardle, ont exploré les techniques "hors autoclave" ou "OoA" pour fabriquer des composites sans utiliser les énormes machines. Le MIT a déclaré que la plupart de ces techniques OoA ont jusqu'à présent produit des composites où près d'un pour cent du matériau contient des vides, ce qui peut compromettre la résistance et la durée de vie d'un matériau. En comparaison, les composites de qualité aérospatiale fabriqués en autoclave sont d'une telle qualité que les vides qu'ils contiennent sont négligeables et difficiles à mesurer.
M. Wardle a expliqué que si des progrès sont réalisés pour introduire l'OoA dans les structures secondaires, telles que les volets et les portes, aucun des matériaux n'est qualifié pour les structures primaires telles que les ailes et les fuselages. "Nous faisons quelques percées, mais nous avons encore des vides."
La science et l'ingénierie qui sous-tendent ces techniques de construction composite en développement sont complexes mais aussi très innovantes. Une description complète des processus et des matériaux utilisés est disponible dans le document de recherche publié.
Une grande partie du travail derrière cette technique de développement se concentre sur le développement des réseaux nanoporeux - des films ultra-minces faits de matériaux microscopiques alignés tels que les nanotubes de carbone, qui peuvent être conçus avec des propriétés exceptionnelles, notamment la couleur, la résistance et la capacité électrique. Le MIT décrit une fine couche de nanotubes de carbone comme "un peu comme une forêt dense d'arbres", et les espaces entre les arbres peuvent fonctionner comme de fins capillaires. Si une fine couche de nanotubes de carbone était prise en sandwich entre deux matériaux, alors, à mesure que les matériaux sont chauffés et ramollis, les capillaires entre les nanotubes de carbone devraient avoir une énergie de surface et une géométrie telles qu'ils attireraient les matériaux l'un vers l'autre, plutôt que de laisser un vide entre eux.
Lee a calculé que la pression capillaire devrait être supérieure à la pression appliquée par les autoclaves lorsque cette nouvelle technique sera pleinement développée. Les chercheurs ont testé leur idée en laboratoire en faisant croître des films de nanotubes de carbone alignés verticalement à l'aide d'une technique qu'ils avaient mise au point auparavant, puis en posant les films entre des couches de matériaux qui sont généralement utilisés dans la fabrication en autoclave des structures primaires des avions. Après avoir enveloppé les couches dans un deuxième film de nanotubes de carbone, ils ont appliqué un courant électrique pour le chauffer. Le composite d'essai qui en a résulté ne présentait pas de vides, comme les composites de qualité aérospatiale produits en autoclave.
"Lors de ces tests, nous avons constaté que notre composite hors autoclave utilisant la technologie des nanotubes de carbone était aussi solide que le composite de référence utilisé pour les structures aérospatiales primaires", a déclaré M. Wardle. L'équipe va ensuite chercher des moyens de produire des films CNT générateurs de pression à une échelle beaucoup plus grande afin de rendre le procédé viable pour la fabrication d'ailes et de fuselages entiers.
Cette recherche a été soutenue, en partie, par Airbus, ANSYS, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, Saertex et Teijin Carbon America par le biais du consortium NECST (Nano-Engineered Composite aerospace Structures) du MIT