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Matériaux composite en aéronautique : l’âge de raison





Le 11 Octobre 2013, par

Présentés à leurs débuts comme les matériaux universels du futur, les composites n’ont pas tardé à se faire une place dans la construction aéronautique. Matériaux aux qualités nombreuses et encore inégalées sur certains aspects, ils s’imposent plus aujourd’hui en tant que compléments des matériaux métalliques qu’en tant que substituts.


Hangar d'assemblage de Boeing, Seattle (crédit : Wikimedia.org)
Hangar d'assemblage de Boeing, Seattle (crédit : Wikimedia.org)
« Un matériau composite est constitué d'une matrice (polymère ou résine) armée d'un renfort (fibres) ». Cette définition très large explique que les premières utilisations industrielles de matériaux composites remontent en fait à la seconde guerre mondiale, avec l’utilisation de composés de fibres de lin et de résines phénoliques dans la construction aéronautique en Angleterre dans les années 1940. Mais en dehors de ce contexte particulier de pénuries de matériaux traditionnels, les composites n’ont véritablement commencé à apparaitre dans l’industrie aéronautique qu’au milieu des années 1960, avec par exemple en 1967 les pales de l’hélicoptère Alouette. En tant que "matrices" on trouve le carbone, la céramique, et … certains métaux. Les composites étant par essence un assemblage de différents matériaux, ils peuvent aussi être constitués de métal, même si cela revient à conserver les problématiques de corrosion et de conductivité. En tant que "renfort" on trouve des fibres de verre, de bore, de carbone, d’aramide, de kevlar…

Les débuts des matériaux composites sont assez chaotiques, car il faut dans un premier temps tempérer l’ardeur et l’enthousiasme des industriels qui pensent trouver en eux un remède contre l’obésité des avions : augmentant en complexité ils augmentent aussi en poids et donc en consommation de carburant. Si l’ajout de pièces composites simples dans les ailes, les longerons et les gouvernes ne posent guère de difficultés, les premières introductions dans des réacteurs de série ont failli sonner le glas de ces matériaux : en mai 1970, les pales de turbine composite du réacteur Rolls-Royce RB211-22 (encore en phase de tests) explosent lors du test d’absorption d’un volatile. Après les aubes d’un moteur encore au stade de prototype, ce sont les coûts de développement qui explosent et mettent en péril les comptes de Rolls-Royce et ceux de plusieurs avionneurs, partenaires du programme et futurs clients du moteur. Ce revers cinglant pour les matériaux composites est tel qu’il occasionne la nationalisation de Rolls-Royce en 1971 et va jusqu’à mettre en danger l’américain Lockheed, qui comptait initialement sur les moteurs Rolls-Royce pour son nouvel appareil TriStar L-1011. Il faudra attendre le salon du Bourget 2013 pour voir à nouveau les matériaux composites intégrés massivement les moteurs et en particulier les aubes de turbine, mais toujours en "partie froide" des moteurs (hors chambre de combustion).

Les recherches d’implémentation maximale de matériaux composites ne sont pas arrêtées avec la mésaventure de Rolls-Royce. Les opportunités offertes par les composites sont trop grandes : légèreté (faible masse volumique), résistance (corrosion et au vieillissement du au UV et chocs thermiques), isolation (thermique, électrique et phonique) et facilité de création de pièces complexes à un coût (relativement) réduit. La question du coût des composites reste délicate puisqu’ils sont parfois plus chers à la conception que des pièces métalliques, mais beaucoup moins coûteux à l’usage (pas d’usure du fait de la corrosion par exemple). La qualité première des composites reste la résistance mécanique, équivalente à celle des métaux de qualité aéronautiques, pour un poids nettement plus réduit. Si le Boeing 777 utilise 9% de matériaux composite, l’Airbus A380 23%, le 787 arrive au total de 50% et l’Airbus A350 XWB à près de 53%. Mais dans tous les cas il reste toujours environ 20% d’alliage aluminium-titane, 15% de titane, 5% d’acier et le reliquat de matériaux divers.

Les métaux ne disparaitront pas des avions modernes, ne serait-ce que parce que certaines de leurs caractéristiques ne peuvent être assurées par les composites : conductivité électrique, résistance thermique (zones chaudes des moteurs et chambres de combustion) et une bonne résistance aux chocs. L’un des défauts des matériaux composites est d'ailleurs de ne pas « marquer » en cas de chocs ; les faiblesses éventuelles restant invisibles aux contrôles visuels. Dans cette optique, il n’est pas étonnant que les matériaux métalliques fassent leur retour, comme sur le nouveau Bombardier CSeries, dont l’aluminium est originaire des fonderies Constellium en Auvergne. Les progrès technologiques en métallurgie tendent à équilibrer la balance et comme l’explique Christophe Villemin, président de la division aéronautique et transport de Constellium, « Les avions du futur ne seront pas tout métal ni tout carbone ; ils seront hybrides ».


Grégoire Moreau
Journaliste et blogueur, je me suis fait avec le temps une spécialité des questions techniques et... En savoir plus sur cet auteur


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