Les "matériaux non traditionnels" sont l'un des domaines de développement technologique les plus importants dans les industries militaire et aérospatiale. Les matériaux doivent faire plus que simplement servir de structure de support - ils doivent être des matériaux intelligents
Les matériaux intelligents sont une classe spéciale de matériaux qui ont la capacité d'agir comme un actionneur et comme un capteur, fournissant les déformations mécaniques nécessaires associées aux changements de température, de courant électrique ou de champ magnétique. Étant donné que les matériaux composites sont composés de plusieurs matériaux et en raison des progrès technologiques modernes, il est désormais possible d'inclure d'autres matériaux (ou structures) dans le processus de fourniture de fonctionnalités intégrées dans des domaines tels que:
- Morphing, - Auto-guérison, - La perception, - Protection contre la foudre, et
- Stockage d'Energie.
Nous allons nous concentrer sur les deux premiers domaines dans cet article.
Morphing matériaux et morphing structures
Les matériaux de morphing comprennent les matériaux qui, suite aux signaux d'entrée, modifient leurs paramètres géométriques et qui sont capables de restaurer leur forme d'origine lorsque les signaux externes s'arrêtent.
Ces matériaux, du fait de leur réaction sous la forme d'un changement de forme, sont utilisés comme actionneurs, mais ils peuvent également être utilisés dans le sens inverse, c'est-à-dire comme capteurs dans lesquels une influence extérieure appliquée au matériau se transforme en un signal. Les applications aérospatiales de ces matériaux sont variées: capteurs, actionneurs, interrupteurs dans les installations et appareils électriques, avionique, et connexions dans les systèmes hydrauliques. Les avantages sont: une fiabilité exceptionnelle, une longue durée de vie, aucune fuite, de faibles coûts d'installation et une réduction significative de la maintenance. En particulier, parmi les actionneurs en matériaux morphing et alliages à mémoire de forme, les actionneurs pour le contrôle automatique des systèmes de refroidissement avioniques et les actionneurs pour les volets de guidage de fermeture/ouverture dans les systèmes de climatisation de cockpit présentent un intérêt particulier.
Les matériaux qui changent de forme à la suite de l'application d'un champ électrique comprennent les matériaux piézoélectriques (le phénomène de polarisation des matériaux à structure cristalline sous l'action de contraintes mécaniques (effet piézoélectrique direct) et les déformations mécaniques sous l'action d'un champ électrique (effet piézoélectrique inverse)) et des matériaux électrostrictifs. La différence réside dans la réponse à un champ électrique appliqué: un matériau piézoélectrique peut s'allonger ou se raccourcir, alors qu'un matériau électrostrictif ne fait que s'allonger, quelle que soit la direction du champ appliqué. Dans le cas des capteurs, la tension générée par la contrainte mécanique est mesurée et traitée afin d'obtenir des informations sur la même contrainte. Ces matériaux à effet piézoélectrique direct sont largement utilisés dans les capteurs d'accélération et de charge, les capteurs acoustiques. D'autres matériaux basés sur l'effet piézoélectrique inverse sont utilisés dans tous les actionneurs; ils sont souvent utilisés dans les systèmes optiques des satellites de reconnaissance, car ils sont capables d'ajuster la position des lentilles et des miroirs avec une précision nanométrique. Les matériaux susmentionnés sont également inclus dans des structures de morphing afin de modifier certaines caractéristiques géométriques et de conférer des propriétés supplémentaires spéciales à ces structures. Une structure morph (également appelée structure intelligente ou structure active) est capable de détecter les changements de conditions externes dus au fonctionnement du système capteur / transducteur électromécanique intégré. De cette manière (du fait de la présence d'un ou plusieurs microprocesseurs et de l'électronique de puissance), des changements appropriés peuvent être induits en fonction des données provenant des capteurs, permettant à la structure de s'adapter aux changements externes. Une telle surveillance active s'applique non seulement à un signal d'entrée externe (par exemple, une pression mécanique ou un changement de forme), mais également à des changements de caractéristiques internes (par exemple, des dommages ou une défaillance). Le champ d'application est assez large et comprend les systèmes spatiaux, les avions et les hélicoptères (contrôle des vibrations, du bruit, du changement de forme, de la répartition des contraintes et de la stabilité aéroélastique), des systèmes marins (navires et sous-marins), ainsi que des technologies de protection.
L'une des tendances à réduire les vibrations (vibrations) qui se produisent dans les systèmes structurels est très intéressante. Des capteurs spéciaux (constitués de céramiques piézoélectriques multicouches) sont placés aux points les plus sollicités afin de détecter les vibrations. Après analyse des signaux induits par les vibrations, le microprocesseur envoie un signal (proportionnel au signal analysé) à l'actionneur, qui répond par un mouvement approprié capable d'inhiber les vibrations. L'Office of Applied Aviation Technology de l'US Army et la NASA ont testé des systèmes actifs similaires afin de réduire les vibrations de certains éléments de l'hélicoptère CH-47, ainsi que des empennages du chasseur F-18. La FDA a déjà commencé à intégrer des matériaux actifs dans les pales de rotor pour contrôler les vibrations.
Dans un rotor principal classique, les pales subissent des niveaux élevés de vibrations dues à la rotation et à tous les phénomènes associés. Pour cette raison, et afin de réduire les vibrations et de faciliter le contrôle des charges agissant sur les aubes, des aubes actives à haute capacité de flexion ont été testées. Dans un type de test particulier (appelé "circuit de torsion embarqué"), lorsque l'angle d'attaque change, la pale est tordue sur toute sa longueur grâce au composite de fibres actives AFC (fibre électro-céramique noyée dans une matrice polymère souple) intégré dans la structure de la lame. Les fibres actives sont empilées en couches, une couche au-dessus de l'autre, sur les surfaces supérieure et inférieure de la lame à un angle de 45 degrés. Le travail des fibres actives crée une contrainte répartie dans la pale, ce qui provoque une flexion correspondante dans toute la pale, ce qui peut équilibrer la vibration de balancement. Un autre test (« activation des oscillations discrètes ») est caractérisé par l'utilisation généralisée de mécanismes piézoélectriques (actionneurs) pour le contrôle des vibrations: des actionneurs sont placés dans la structure de la pale pour contrôler le fonctionnement de certains déflecteurs situés le long du bord de fuite. Ainsi, une réaction aéroélastique se produit qui peut neutraliser les vibrations générées par l'hélice. Les deux solutions ont été évaluées sur un véritable hélicoptère CH-47D lors d'un test appelé MiT Hower Test Sand.
Le développement d'éléments structurels morphing ouvre de nouvelles perspectives dans la conception de structures de complexité accrue, tandis que leur poids et leur coût sont considérablement réduits. Une réduction marquée des niveaux de vibration se traduit par: une durée de vie accrue de la structure, moins de contrôles d'intégrité structurelle, une rentabilité accrue des conceptions finales car les structures sont soumises à moins de vibrations, un confort accru, des performances de vol améliorées et un contrôle du bruit dans les hélicoptères.
Selon la NASA, on s'attend à ce qu'au cours des 20 prochaines années, le besoin de systèmes d'avions hautes performances qui deviendront plus légers et plus compacts nécessitera une utilisation plus intensive des conceptions de morphing.
Matériaux auto-cicatrisants
Les matériaux auto-cicatrisants appartenant à la classe des matériaux intelligents sont capables de réparer indépendamment les dommages causés par des contraintes mécaniques ou des influences externes. Lors du développement de ces nouveaux matériaux, les systèmes naturels et biologiques (par exemple, les plantes, certains animaux, la peau humaine, etc.) ont été utilisés comme source d'inspiration (en fait, au début, ils étaient appelés matériaux biotechnologiques). Aujourd'hui, les matériaux auto-cicatrisants peuvent être trouvés dans les composites avancés, les polymères, les métaux, les céramiques, les revêtements anti-corrosion et les peintures. Un accent particulier est mis sur leur application dans les applications spatiales (des recherches à grande échelle sont menées par la NASA et l'Agence spatiale européenne), qui se caractérisent par le vide, de grandes différences de température, les vibrations mécaniques, le rayonnement cosmique, ainsi que pour réduire les dommages causées par des collisions avec des débris spatiaux et des micrométéorites. De plus, les matériaux auto-cicatrisants sont essentiels pour les industries de l'aviation et de la défense. Les composites polymères modernes utilisés dans les applications aérospatiales et militaires sont sensibles aux dommages causés par des tirs mécaniques, chimiques, thermiques, ennemis ou une combinaison de ces facteurs. Étant donné que les dommages à l'intérieur des matériaux sont difficiles à remarquer et à réparer, la solution idéale serait d'éliminer les dommages qui se sont produits au niveau nano et micro et de restaurer le matériau dans ses propriétés et son état d'origine. La technologie est basée sur un système selon lequel le matériau comprend des microcapsules de deux types différents, l'une contenant un composant auto-cicatrisant et l'autre un certain catalyseur. Si le matériau est endommagé, les microcapsules sont détruites et leur contenu peut réagir les uns avec les autres, combler les dommages et restaurer l'intégrité du matériau. Ainsi, ces matériaux contribuent grandement à la sécurité et à la durabilité des composites avancés dans les aéronefs modernes, tout en éliminant le besoin d'une surveillance active coûteuse ou d'une réparation et/ou d'un remplacement externes. Malgré les caractéristiques de ces matériaux, il existe un besoin d'améliorer la maintenabilité des matériaux utilisés par l'industrie aérospatiale, et des nanotubes de carbone multicouches et des systèmes époxy sont proposés pour ce rôle. Ces matériaux résistants à la corrosion augmentent la résistance à la traction et les propriétés d'amortissement des composites et n'altèrent pas la résistance aux chocs thermiques. Il est également intéressant de développer un matériau composite avec une matrice céramique - une composition matricielle qui convertit chaque molécule d'oxygène (pénétrée dans le matériau à la suite d'un endommagement) en une particule silicium-oxygène à faible viscosité, qui peut entraîner des dommages dus à effet capillaire et les remplir. La NASA et Boeing expérimentent des fissures auto-cicatrisantes dans des structures aérospatiales à l'aide d'une matrice d'élastomère polydiméthylsiloxane avec des microcapsules intégrées.
Les matériaux auto-cicatrisants sont capables de réparer les dommages en comblant l'espace autour de l'objet perforé. Évidemment, de telles capacités sont à l'étude au niveau de la défense, tant pour les blindages des véhicules et des chars, que pour les systèmes de protection individuelle.
Les matériaux auto-cicatrisants pour les applications militaires nécessitent une évaluation minutieuse des variables associées aux dommages hypothétiques. Dans ce cas, les dommages causés par l'impact dépendent:
- énergie cinétique due à la balle (masse et vitesse), - conceptions de systèmes (géométrie externe, matériaux, blindage), et
- analyse de géométrie de collision (angle de rencontre).
Dans cet esprit, la DARPA et les laboratoires de l'armée américaine expérimentent les matériaux d'auto-guérison les plus avancés. En particulier, les fonctions réparatrices peuvent être initiées par la pénétration d'une balle où l'impact balistique provoque un échauffement localisé du matériau, rendant possible l'auto-guérison.
Les études et les tests de verre auto-cicatrisant sont très intéressants, dans lesquels les fissures causées par une action mécanique sont remplies de liquide. Le verre auto-cicatrisant peut être utilisé dans la fabrication de pare-brise pare-balles de véhicules militaires, ce qui permettrait aux soldats de conserver une bonne visibilité. Il peut également trouver une application dans d'autres domaines, l'aviation, les écrans d'ordinateur, etc.
L'un des futurs défis majeurs consiste à prolonger la durée de vie des matériaux avancés utilisés dans les éléments de structure et les revêtements. Les matériaux suivants sont à l'étude:
- des matériaux auto-cicatrisants à base de graphène (nanomatériau semi-conducteur bidimensionnel constitué d'une couche d'atomes de carbone), - résines époxy avancées, - les matériaux exposés au soleil, - des microcapsules anti-corrosion pour surfaces métalliques, - des élastomères capables de résister aux impacts de balles, et
nanotubes de carbone utilisés comme composant supplémentaire pour améliorer les performances des matériaux.
Un nombre important de matériaux présentant ces caractéristiques sont actuellement testés et étudiés expérimentalement.
Sortir
Pendant de nombreuses années, les ingénieurs ont souvent proposé des projets conceptuellement prometteurs, mais n'ont pas pu les mettre en œuvre en raison de l'inaccessibilité des matériaux appropriés pour leur mise en œuvre pratique. Aujourd'hui, l'objectif principal est de créer des structures légères avec des propriétés mécaniques exceptionnelles. Les progrès modernes des matériaux modernes (matériaux intelligents et nanocomposites) jouent un rôle clé, malgré toute la complexité, lorsque les caractéristiques sont souvent très ambitieuses et parfois même contradictoires. À l'heure actuelle, tout change à une vitesse kaléidoscopique, pour un nouveau matériau, dont la production ne fait que commencer, il y en a un suivant, sur lequel ils mènent des expériences et des tests. L'industrie de l'aérospatiale et de la défense peut tirer de nombreux avantages de ces matériaux étonnants.
