Aéronautique et polymères : cap sur la sobriété

En quelques décennies, les polymères ont permis une forte réduction de la masse des avions et ont amélioré d’autant le rendement des réacteurs. Les constructeurs planchent depuis quelques années à rendre leur industrie toujours plus propre. Cela passe de nouvelles avancées technologiques comme les piles à hydrogène ou encore, le recyclage des composites et des polymères.                                                                        

Recyclabilité : virage sur l’aile pour les composites

Le composite carbone/époxy est aujourd’hui encore le véritable couteau suisse des industries de haute technologie qui cherchent à gagner du poids. C’est lui qu’on trouve dans les carlingues et les ailes des avions, les bateaux de course, les formules 1 et même dans des chaussures de running haut de gamme… Aussi extraordinaire soit-il, ce composite n’est pas sans défaut, notamment du point de vue environnemental.

Remplacer les résines thermodurcissables par des résines thermoplastiques, plus en adéquation avec l’économie circulaire, pour concevoir des matériaux composites à base de fibres est l’un des grands enjeux du moment.

En effet, dans la très grande majorité des cas les fibres de carbone sont imprégnées d’une résine thermodurcissable. Il s’agit le plus souvent d’époxy ou encore de polyester ou de vynilester. Or, les résines thermodurcissables, une fois polymérisées deviennent irréversibles : on ne peut les faire fondre pour les remouler et leur recyclage est très compliqué. Un mauvais point à l’heure de l’économie circulaire…

Les avionneurs cherchent à les remplacer par des résines thermoplastiques comme les polyamides, le polytéréphtalate de butylène ou encore le PEEK, des résines qui elles, sont réversibles. Une fois chauffées et fondues, elles peuvent être moulées une nouvelle fois et surtout, on peut les recycler. De plus, elles n’émettent pas de composés volatiles lors de l’imprégnation des fibres, leur manipulation est donc plus aisée. Quant à leurs propriétés thermo-mécaniques, elles sont souvent comparables avec celles des « thermodurs », notamment pour le PEEK. Ce serait donc la panacée si leur importante viscosité (1 000 fois plus élevée que celle des résines thermodurcissables à la température de mise en œuvre) ne rendait plus difficile l’imprégnation des fibres. Dans l’industrie des composites, c’est l’un des sujets du moment et chaque laboratoire cherche la solution pour trouver un point de fusion plus faible qui diminuerait la viscosité et faciliterait la fabrication des pièces, sans pour autant pénaliser la température d’usage nommée thermo-stabilité par les scientifiques. C’est d’autant plus important pour l’industrie des polymères car celle des métaux et plus particulièrement celle des alliages progresse également assez vite et reste en embuscade pour prendre sa revanche.

Composites : les durs à cuire

L’un des défis pour les ingénieurs en composites est de trouver une façon plus économe en énergie de les solidifier. Actuellement, les pièces sont cuites en autoclaves, une sorte de cocotte-minute géante. C’est un procédé long et assez couteux, tant les équipements  sont onéreux.

De nombreux centres de recherches s’intéressent aux procédés hors autoclaves, moins coûteux et plus souples, comme ceux par infusion ou injection de résine liquide directement sur une préforme fibreuse (une sorte de squelette à renforts fibreux). La fameuse cocotte-minute est remplacée par une bâche sous vide d’air et la résine est conduite par un simple tuyau.

Les process de fabrication sont également remis en cause. On cherche à les simplifier et surtout à les rendre meilleur marché.

Le graal serait de pouvoir effectuer toute l’opération à température ambiante et de produire des pièces de qualité égale. Selon certains centres de recherches, la solution serait pour bientôt…

Des polymères à fleur de peau

Pour encore améliorer les matériaux composites, la Communauté européenne (CE)  a lancé et financé le projet Hipocrates dédié au développement de matériaux autoréparables. Formule magique s’il en est, il s’agirait de matériaux capables d’autoréparer, sans intervention humaine donc, les microfissures ou petites cassures qu’ils subissent. Un enjeu d’autant plus important dans le monde aérien  où chaque jour, les ailes ou la carlingue des avions subissent des microchocs à cause par exemple de la grêle. Rien d’inquiétant car les avions sont conçus pour y faire face mais à la longue, cela entraine une usure un peu plus rapide des composites et demande de multiples interventions humaines pour les réparer ou tout du moins les conserver en bon état. La conception de matériaux composites structurels à base de polymères autoréparables est un vrai défi.  Pour être efficaces, ces réparations doivent s’effectuer rapidement et surtout rester stables.

Deux modes d'autoréparation différents ont été testés. Le premier consiste à ajouter aux composites des microcapsules contenant des agents d'autoréparation et un catalyseur. En cas de microfissure, les capsules se brisent et libèrent l'agent réparateur, qui entre en contact avec le catalyseur. Il en résulte une polymérisation qui encapsule la fissure et bloque son développement. La deuxième méthode fait appel à des polymères réversibles. Très schématiquement, la résine est enrichie d’un nouvel élément chimique capable de combler une fissure après avoir été stimulé par un signal externe (chaleur, rayonnement ou induction électrique). On n’en sait pas beaucoup plus pour le moment car bien évidemment cette recherche est gardée secrète. On sait simplement que deux nouveaux composites on été testée avec succès… L’équipe de recherche espère voir des applications concrètes dans les 5 ans, une durée nécessaire aux nombreux tests encore à effectuer.

Dans un très proche avenir, les polymères deviendront intelligents. La recherche avance en effet très vite en vue de concevoir des composites capables de s’autoréparer.

L’Europe, a également financé la recherche d’un revêtement hydrophobe qui permettent aux pare-brises d’avions de s’affranchir d’essuie-glaces. Cela pourrait paraître anecdotique mais les essuie-glaces pèsent quelques kilogrammes et augmente la trainée des avions. Certes la surconsommation qu’ils produisent n’est pas énorme mais c’est avec les petits ruisseaux que l’on fait les grandes rivières…  Ce revêtement se présente sous la forme d’une peau composée d’un gel de silane polyuréthanes soumis à une hydrolyse. Elle est peinte sur le pare-brise, où elle sèche en créant une couche dure qui repousse facilement l’eau de pluie vers l’extérieur. En outre, ce revêtement comprend une couche transparente, conductrice de chaleur. Appliquée sur la surface de la vitre, elle va faciliter l’élimination de l’eau. Encore une fois, affaire à suivre…

Supprimer les essuie-glaces permettrait de gagner quelques kilogrammes et un meilleur aérodynamisme. Il est désormais question de les remplacer par un revêtement polymère hydrophobe appliqué sur le pare-brise.

Les hélices reprennent du service

En attendant l’hypothétique gros porteur électrique qui fait tant rêver, il faut pour le moment se contenter de tout petits avions, le plus souvent des biplaces et, le plus souvent encore, en phases d’essais… Cela dit, tous ont un point commun, leur construction ultra légère en matériaux composites. Les projets sont nombreux et concernent tous les constructeurs y compris les plus gros comme Airbus. Pourtant, ce n’est pas encore demain que l’on pourra voir évoluer un avion de transport, tout du moins régional, dans le silence le plus absolu. Tous les avionneurs cherchent une véritable innovation de rupture dans le domaine des batteries. En attendant, les motoristes comme Safran innovent en améliorant les traditionnels moteurs à kérosène. Le groupe a présenté l’Open Rotor, un nouveau type de moteur bien plus grand que les réacteurs actuels et qui a vocation à être installé en queue de fuselage. Le carénage du réacteur a été supprimé et deux immenses hélices de 4 mètres tournant dans le sens inverse l’une de l’autre ont été installées. Dans le monde de l’aviation, on parle d’hélices contrarotatives. Toute l’architecture des avions sera à revoir. Mais qui dit avion à hélices dit bruit généralement assourdissant… Or, selon Safran, le bruit de l’Open Rotor » serait équivalent à celui du moteur LEAP grâce notamment au design de ses pales, fabriquées par injection de résine dans un renfort textile réalisé sur des métiers à tisser dérivés de l'industrie textile. Quant au matériau composite à base de fibres de carbone, il est suffisamment souple pour supprimer toutes les vibrations spécifiques aux moteurs à hélices. Grâce à cette technologie bien plus moderne qu’il n’y parait, la consommation de carburant pourrait être encore diminuée de 15 à 25%.

Avec l’Open Rotor Safran réinvente l’hélice en la modernisant. Grâce à lui, la consommation des moteurs continue à baisser sans perte en performance.

 Lorsqu’au début du XXème siècle, les premiers avions propulsés par des moteurs prenaient leur envol, qui imaginait que 40 ans plus tard, ils passeraient le mur du son ? L’industrie aéronautique sait sans cesse se réinventer pour contenter une demande toujours croissante. A l’heure où les enjeux écologiques prédominent, bien malin qui pourra dire à quoi ressembleront les avions dans une trentaine d’années. Une chose est sûre, ils devront être beaucoup plus économes en ressources et en émission de co2. Idem pour les polymères qui ont toujours accompagné l’aéronautique dans sa double quête de performance et de sobriété.