L'aluminium sera probablement dans les cellules pour un autre siècle, tandis que les composites représentent le nouveau matériau sur le bloc.
Deux matériaux jouent un rôle majeur dans l'aérospatiale moderne : les alliages d'aluminium pour les cellules et la peau, et les composites pour les structures. Voici un aperçu des deux.
Certains observateurs de l'aviation prédisent que les composites et le titane régneront sur les cellules et les structures aérospatiales. Mais cela semble assez improbable. L'aluminium est encore léger, techniquement avancé en termes de formage et d'alliage, et son coût relativement bas, surtout par rapport au titane et aux composites. Aluminium
Alcoa, par exemple, prévoit que 6 % d'aluminium en plus sera utilisé dans les avions en 2013 par rapport à 2011. L'entreprise, un important producteur d'aluminium, souligne également que la flotte actuelle d'avions de ligne et d'avions à réaction militaires est de gros utilisateurs d'aluminium, et plus les conceptions continuent de spécifier beaucoup d'aluminium. L'Airbus A380, l'un des plus gros avions de ligne au monde, contient 10 fois la quantité d'aluminium utilisée dans l'Airbus A320. Et le 787 Dreamliner de Boeing, qui est souvent décrit comme un avion composite, contient 20 % d'aluminium (en poids), dont l'aluminium 7085, un alliage d'aluminium relativement nouveau.
D'autres segments de l'industrie aéronautique continuent également d'utiliser l'aluminium au lieu des composites. Un jet régional en cours de développement chez Mitsubishi, par exemple, devait initialement être équipé d'ailes composites. Finalement, la société a admis qu'elle opterait pour des ailes en aluminium et qu'elles constitueraient «une meilleure solution globale». Et Mitsubishi fournit des composites aux constructeurs d'avions commerciaux.
Même sur les jets militaires haute performance, l'aluminium continue de jouer un rôle important. Par exemple, l'aluminium est largement utilisé dans le J-35 Joint Strike Fighter. Il se compose de six cloisons forgées qui forment la principale partie portante de la cellule de l'avion.
Caractéristiques de l'aluminium
Bien que léger, l'aluminium commercialement pur a une résistance à la traction d'environ 13 000 psi. Le travail à froid du métal double approximativement sa résistance. L'aluminium est généralement allié à des éléments tels que le manganèse, le silicium, le cuivre, le magnésium ou le zinc pour augmenter encore la résistance. Les alliages peuvent être renforcés par écrouissage. Certains alliages sont encore renforcés et durcis par des traitements thermiques. À des températures inférieures à zéro, l'aluminium est plus résistant qu'à température ambiante et n'est pas moins ductile. La plupart des alliages d'aluminium perdent de leur résistance à des températures élevées, bien que certains conservent une résistance significative jusqu'à 500 °F.
Outre un rapport résistance/poids élevé et une bonne formabilité, l'aluminium possède également son propre mécanisme anticorrosion. Lorsqu'il est exposé à l'air, l'aluminium forme un revêtement d'oxyde dur et microscopique qui scelle le métal de l'environnement. La liaison chimique étroite d'oxyde est la raison pour laquelle l'aluminium ne se trouve pas dans la nature; il n'existe que sous forme de composé.
L'aluminium et ses alliages, au nombre de centaines, sont disponibles sous toutes les formes commerciales courantes. Les tôles en alliage d'aluminium peuvent être formées, étirées, estampées ou filées. De nombreux alliages d'aluminium forgé ou coulé peuvent être soudés, brasés ou brasés, et les surfaces en aluminium acceptent facilement une grande variété de finitions, à la fois mécaniques et chimiques. En raison de leur conductivité électrique élevée, les alliages d'aluminium sont utilisés comme conducteurs électriques. L'aluminium réfléchit l'énergie rayonnante sur l'ensemble du spectre et est non étincelant et non magnétique.
L'alliage d'aluminium le plus couramment utilisé dans l'aérospatiale est le 7075, dont le zinc est l'élément d'alliage principal. Il est solide, avec une résistance comparable à celle de nombreux aciers, et a une bonne résistance à la fatigue et une usinabilité moyenne, mais a moins de résistance à la corrosion que de nombreux autres alliages d'aluminium. Sa composition chimique comprend environ 5,6 à 6,1 % de zinc, 2,1 à 2,5 % de magnésium, 1,2 à 1,6 % de cuivre et moins d'un demi pour cent de silicium, de fer, de manganèse, de titane, de chrome et d'autres métaux. Il est généralement produit en plusieurs grades de trempe thermique.
Composites à matrice d'aluminium
Les composites à matrice métallique (MMC) sont constitués d'alliages métalliques renforcés de fibres, de whiskers, de particules ou de fils. Des alliages de nombreux métaux (aluminium, titane, magnésium et cuivre) ont été utilisés comme matrices à ce jour. Dans la navette spatiale de la NASA, par exemple, 240 entretoises sont en aluminium renforcé de fibres de bore.
Aluminium superplastique : Le formage de métal superplastique, un processus similaire au formage sous vide de feuilles de plastique, a été utilisé pour former de l'aluminium à faible résistance dans des pièces non structurelles telles que des boîtiers de caisse enregistreuse, des compartiments à bagages pour les trains de passagers et des composants d'avions non porteurs. Mais l'alliage d'aluminium à haute résistance superplastique formable, un développement relativement récent, est disponible pour les applications structurelles et désigné 7475-02. La résistance de l'alliage 7475 est de l'ordre de l'alliage aérospatial 7075, qui nécessite des opérations de formage conventionnelles. Bien que le coût initial de 7475 soit plus élevé, le coût de la pièce finie est généralement inférieur à celui de 7075 en raison des économies réalisées dans la conception et l'assemblage simplifiés.
Matériaux composites
Au début des composites, les fibres de verre étaient utilisées pour renforcer une matrice de résine époxy. Ce plastique renforcé de verre (PRV) a été utilisé pour les radômes et les pales d'hélicoptères, mais a trouvé une utilisation limitée dans les avions en raison de sa faible rigidité. Dans les années 1960, de nouveaux renforts en fibres ont été introduits, dont le Kevlar, un aramide ayant la résistance des fibres de verre mais plus rigide. Aujourd'hui, les fibres de carbone sont le renfort de choix pour les composites aérospatiaux.
Les fibres de carbone dans les composites aérospatiaux peuvent être longues et continues, ou courtes et fragmentées, et elles peuvent être orientées de manière directionnelle ou aléatoire. En général, les fibres courtes coûtent le moins cher et les coûts de fabrication sont les plus bas. Mais, comme pour le verre, les propriétés des composites résultants sont inférieures à celles fabriquées avec des fibres plus longues ou continues.
Les fibres broyées sont les fibres de carbone les plus courtes utilisées pour le renforcement. Leur longueur varie de 30 à 3 000 microns, avec une moyenne d'environ 300 microns. Le rapport L/D moyen (longueur sur diamètre) est de 30. Les fibres coupées courtes avec un rapport L/D d'environ 800 augmentent la résistance et le module des composites plus que les fibres broyées. Le coût d'un composé de moulage renforcé de fibres courtes est environ le double de celui d'un composé contenant des fibres de carbone broyées.
De longues fibres coupées (jusqu'à deux pouces de long) sont souvent ajoutées à un composé de moulage en feuille de verre/polyester thermodurcissable pour augmenter la rigidité des pièces moulées par compression. Les fibres de carbone continues offrent le nec plus ultra en termes de performances et de réduction de poids. Les fibres continues sont disponibles sous un certain nombre de formes, notamment des fils ou des câbles contenant de 400 à 160 000 filaments individuels ; rubans imprégnés unidirectionnels jusqu'à 60 po de largeur; plusieurs couches de ruban avec des couches individuelles, ou des plis, à l'orientation choisie des fibres ; et des tissus de divers poids et tissages.
Les propriétés de conception importantes des composites de carbone sont leurs rapports résistance/poids et rigidité/poids élevés. Avec une sélection et un placement appropriés des fibres, les composites peuvent être plus solides et plus rigides que les pièces en acier avec des épaisseurs similaires mais 40 à 70 % de poids en moins. La résistance à la fatigue des composites à fibres continues est excellente et la résistance chimique est meilleure que celle des composites renforcés de verre, en particulier dans les environnements alcalins. Comme la plupart des matériaux rigides, cependant, les composites de carbone sont relativement fragiles. Ils n'ont pas de comportement de rendement et la résistance à l'impact est faible.
Les caractéristiques thermiques des fibres de carbone diffèrent de celles de presque tous les autres matériaux. Les coefficients de dilatation linéaire vont de légèrement négatifs pour les fibres de module de 30 millions de psi à environ -1,3 × 10 6 in./(in.- °F) pour les fibres à module ultra-élevé. Cette propriété rend possible la conception de structures avec une dilatation thermique linéaire et planaire nulle ou très faible - une qualité précieuse pour les composants des instruments de précision. Les coefficients de dilatation transversaux sont assez différents — typiquement 15 × 10 6 in./(in.- °F).
Comparer les composites aérospatiaux
Glossaire des composites aérospatiaux
Adhésif : Une résine thermodurcissable telle que l'époxy ou la phénolique sous la forme d'un film ou d'une pâte, durcie à la chaleur et à la pression pour coller une large gamme de surfaces composites, métalliques et en nid d'abeille.
Aramide : Une fibre solide et rigide dérivée du polyaqmide. Le Kevlar et le Nomex sont des aramides.
Fibre de carbone : Fibre produite en carbonisant des fibres précurseurs à base de PAN, de rayonne ou de brai. Le terme est souvent utilisé de manière interchangeable avec le graphite. Cependant, les fibres de carbone et de graphite sont fabriquées et traitées thermiquement à différentes températures et contiennent différentes quantités de carbone.
Matériaux composites : Matériaux fabriqués en combinant deux ou plusieurs matériaux différents tels que des fibres et des résines et ayant des propriétés structurelles non présentes dans les matériaux d'origine.
Noyau d'ingénierie : le formage, le façonnage, l'usinage ou le collage de feuilles ou de blocs de nid d'abeilles en formes profilées et complexes à utiliser comme pièces semi-finies d'assemblages et de structures composites.
Fibre de verre : Filaments fabriqués par étirage de verre fondu. Souvent utilisé comme renfort composite.
Enroulement de filament : Un processus utilisé pour fabriquer des composants en matériaux composites tels que des boîtiers de fusée et des cylindres. Les filaments de fibre sont imprégnés d'une résine et enroulés sur une forme ou un mandrin du composant. La façon dont les fibres sont enroulées affecte la résistance et la rigidité.
Nid d'abeille : Structure légère constituée de feuilles métalliques ou de matériaux sur-métalliques tels que du papier imprégné de résine ou du tissu tissé formé en cellules hexagonales imbriquées, d'apparence similaire à une section transversale de ruche. La structure ajoute de la résistance aux panneaux et aux pièces finis.
Module d'élasticité : La mesure de la rigidité d'un matériau. Plus le module est élevé, plus le matériau est rigide.
Polyacrylonitrile (PAN) : Un polymère qui est filé en fibres utilisées comme matériau précurseur lors de la fabrication de certaines fibres de carbone.
Précurseur : Les fibres de PAN, de rayonne ou de brai à partir desquelles les fibres de carbone ou de graphite sont dérivées.
Préimprégné (pré-imprégné) : Un matériau composite fabriqué en ajoutant des fibres ou des tissus de renforcement à une matrice de résine thermodurcissable ou thermoplastique.
Structure principale : Une structure porteuse critique sur un aéronef. Si cette structure est gravement endommagée, l'avion ne peut pas voler.
Renforcement : Un matériau solide qui se mélange à une résine pour former des matériaux composites. Les renforts sont généralement des fibres continues, qui peuvent être tissées. La fibre de verre, l'aramide et les fibres de carbone sont des renforts typiques. Les tissus peuvent également être utilisés comme renforts, y compris ceux fabriqués à partir de fibre de verre, de carbone ou d'aramide.
Matrice de résine : Un substrat polymère tel que l'époxy ou le PEEK.
Panneaux sandwich : panneaux rigides et légers constitués de feuilles minces telles que l'aluminium ou le stratifié préimprégné durci collées à un matériau à âme rigide à faible densité tel que la mousse ou le nid d'abeilles.
Spectra : Une fibre polyoléfine haute résistance d'Allied Signal. Les tissus tissés Spectra sont solides et légers et sont utilisés dans les matériaux composites.
Câble : faisceau non torsadé de filaments de carbone continus.
Fil : Un faisceau torsadé de filaments de verre, pas nécessairement continu.
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