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