Matériaux composites hautes performances · PDF fileMatériaux composites hautes...

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  • Matriaux composites hautes performances polymriss sous rayonnements ionisants

    Brigitte Defoort et Guy LarnacAstrium Space Transportation - 33160 Saint Mdard en Jalles

    brigitte.defoort@astrium.eads.net

  • INTRODUCTION

  • Contexte industriel dans le groupe EADS

    Groupe EADS- Astrium ST (lanceurs Ariane5, M51)- Astrium Satellite

    - Airbus- Eurocopter ()

    Activits trs diversifies, avec des points communs :- Orientes vers le laronautique ou le spatial

    - Haute valeur ajoute

    - Trs hautes performances

    - Sries limites

    - March de plus en plus concurrentiel

    M51

    Ariane 5ESC-B

  • Pourquoi utilise t-on les matriaux compositesdans le spatial et l aronautique ?

    Raideur et contrainte spcifique :

    Permet des concepts innovants et des avances techniques

    impossibles avec du mtallique

    Lanceurs r-utilisables,

    Poutre centrale A380

    Permet des gains de masse importants

    Intgration des fonctions ds la conception

    Permet des gains financiers

    Caractristiques radio lectrique

    Radmes, Antennes

    Stabilit dimensionnelle

    Support tlescope, rflecteurs...

  • Problmatiques rencontres avec ces matriaux de manire gnrale :

    - Liaisons : collage / rivetage

    durabilit, justification, procds sensibles, contrlabilit

    - Sensibilit aux chocs : tolrance aux dommages

    - Tenue aux ambiances : corrosion saline, vieillissement humide, thermo oxydation, rayonnement U.V

    - Prennit des constituants : r-organisations industrielles, rgulation, REACH

    - Concurrence des marchs, conomie mondiale

  • Rpartition des cots sur une structure composite

    - Rpartition des cots pour une structure composite

    fibre de carbone de grande dimension (1 exemple application AST)

    Rpartition

    Materiau ~ 34%

    Ralisation + ~ 66%

  • - Rduction du cot des matires premires

    - Politique de sourcing ,

    - Rationalisation de la gamme des produits,

    - Automatisation des procds

    - Drappage automatique,

    - Utilisation de la technologie dpose contact,

    - Procds de tissage multi-D,

    - Bobinage : Utilisation de nappes larges et paisses.

    - Suppression des phases les + coteuses : Autoclave

    - Dveloppements de rsines rhologie adaptes (tuve,

    process quickstep chez Eurocopter),

    - Dveloppement de procds hors autoclave (EB, RX),

    pouvant terme tre intgrs dans les procds de

    ralisation.

    Les axes de dveloppement

  • Les moyens de polymrisation EB, RX

  • Suppression des phases les + coteuses : Autoclave

    Dveloppement de la polymrisation par ionisation

    Principe

    Utilisation acclrateur e-/RX Rsines acrylates, poxy + amorceur, BMI fonctionnalises...

    Intrt

    Elvation de temprature limite (outillages)Pices complexes, pices paisses Arrt et reprise de polymrisations

    Polymrisations locales : liaisons Rparation

    Procd automatisable

  • Unit de polymrisation haute nergie 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

  • Unit de polymrisation pilote basse nergie : Airbus Espagne

    - Polymrisation couche

    couche

    - Table pilote avec 4 axes

    - Systme flexible et

    adaptable

    - Alimentation rouleaux

    prepreg 3 de large

    - Destin la recherche

    et dveloppement

    Crdit : Airbus SP

  • Unit de polymrisation pilote basse nergie : Airbus Espagne

    Principe du moyen

    - Systme de dpose

    - Compaction US

    - Polymrisation EB

    - Traitement thermique

    - Plasma (application

    collage)

    Crdit : Airbus SP

  • Exemples de ralisations industrielles

  • Polymrisation EB de structures bobines

    - Application militaire

    - 10 structures chelle 1

    - Diamtre 2.5 m, longueur 6m

    - Dure de ralisation rduite

    - Outillage

    De lchelle laboratoire A la production

  • Programmes de dmonstration : la polymrisation 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 200C range.

    Programmes de dmonstration : la polymrisation 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 dmonstration : la polymrisation sous rayonnement pour applications diverses

  • 2 points incontournables pour les applications hautes performances spcifiques nos applications :

    - Maitriser le procd- Optimiser les matriaux

  • - Process modeling : modeling of dose deposition

    - Modeling of curing kinetics

    - Mastering of the curing

    process

    Modlisation du procd

    1 phD study

  • Les matriaux composites

    - Les proprits mcaniques sont insuffisantes lorsque le matriau est sollicit dans la direction perpendiculaire aux fibres (Sigma 2 faible)

    - Les causes potentielles ont t analyses et toutes tudies.

    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.

    Comprhension du problme dadhsion fibres / matrices

    Conversion Profil cintique de la matrice coeur

    Profil cintique de la matrice dans linterphase

    Vitrification globale du systme

    Phnomne dinhibition de la

    polymrisation dans linterface

    c

    i

    Dure de lirradiation

    Conversion Profil cintique de la matrice coeur

    Profil cintique de la matrice dans linterphase

    Vitrification globale du systme

    Phnomne dinhibition de la

    polymrisation dans linterface

    c

    i

    Dure de lirradiation

    After Drzal

  • Amlioration de ladhsion fibre / matrice

    - Greffer une fonction chimique ayant un effet sensibilisateur depolymrisation et entrainant des transfert de chane (mise en vidence de leffet recherch par des essais composs modles avec le dodcanethiol)

    Fibre

    SH .M

    Fibre

    S.

    Radical en

    croissance HM

    Transfert

    Propagation dune

    nouvelle chane

    partir dun

    monomre

    OU

    propagation partir

    dune chane

    pendante

    SFibre

    Lien covalent avec le rseau

    HOOC

    HOOC

    SH

    N CH2

    CH3

    CH3

    CH2 O CC CH2

    CH3

    O

    OO

    OO

    DGEBA Acide thiomaliqueMthacrylate de

    dimthylaminothyle

    - Rsultats trs prometteurs au niveau du composite, mais ncessitde raliser une industrialisation (difficults 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 vidence de lamlioration de ladhsion

    After Drzal and Defoort

  • Amlioration de la rsistance la propagation de fissure des matrices (Obj. TOLDOM)

    - Addition dun matriau thermoplastique

    ddi compatible des systmes

    acrylates a permis une amlioration de

    tnacit des rsines, les amenant un

    niveau comparable aux meilleurs

    quivalents thermiques

    (E. Chauray, LCPO, patented)(E. Chauray, LCPO, patented)

    - Une nouvelle approche permet

    dobtenir des tnacits trs leves ;

    suprieures aux rfrences thermiques

    tout en gardant des viscosits faibles,

    ce qui savre extrmement intressant

    pour la mise en uvre par RTM

    (pices 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)

    Kn