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La success-story des matériaux composites

Con­scient de l’impact envi­ron­nemen­tal qu’a le secteur aéro­nau­tique notam­ment sur la planète, l’équipe de Zoheir Aboura entre­tient des parte­nar­i­ats avec de nom­breux indus­triels comme Safran, pour répon­dre aux défis tech­nologiques de l’aéronautique, de l’espace et de la défense. Les matéri­aux com­pos­ites ont la côte. 

Zoheir Aboura est pro­fesseur des uni­ver­sités. Il dirige l’équipe Matéri­aux et Sur­faces au sein du lab­o­ra­toire Rober­val (Mécanique, Acous­tique et Matéri­aux) de l’université de tech­nolo­gie de Com­piègne. Son tra­vail repose, entre autres, sur le développe­ment des con­nais­sances sur le com­porte­ment mécanique des matéri­aux com­pos­ites. L’équipe de Zoheir Aboura entre­tient, en effet, des parte­nar­i­ats avec de nom­breux indus­triels intéressés par les retombées de ses recherch­es notam­ment dans le développe­ment de tech­niques d’in­ves­ti­ga­tion orig­i­nales, pour la détec­tion, le suivi et la com­préhen­sion des mécan­ismes d’endommagement, très com­plex­es dans le cas des matéri­aux com­pos­ites notam­ment à archi­tec­tures de ren­force­ment 3D. 

En par­ti­c­uli­er, le groupe indus­triel Safran y trou­ve des répons­es aux défis tech­nologiques dic­tés par les impérat­ifs de l’aéronautique, de l’e­space et de la défense. « Le développe­ment de matéri­aux nou­veaux dans le secteur aéro­nau­tique repose sur des enjeux cli­ma­tiques forts. Les matéri­aux com­pos­ites organiques ou céramiques ont des pro­priétés spé­ci­fiques (rap­port entre la pro­priété intrin­sèque et la den­sité) très élevées, ils devi­en­nent donc très con­cur­ren­tiels. Ils per­me­t­tent d’alléger les struc­tures. C’est le maître mot dans l’aéronautique. Ce qui ouvre la voie aux économies d’énergie et par con­séquent réduire l’impact sur l’environnement », expose Zoheir Aboura.

Matériaux intelligents

Les travaux de recherche en cours s’orientent vers le développe­ment, pour les indus­tries aéro­nau­tique, spa­tiale et auto­mo­bile de matéri­aux à la fois « intel­li­gents » et « com­mu­ni­cants » pour un suivi de leur état de san­té en con­tinu. Cela sig­ni­fie la pos­si­bil­ité de réduire les coef­fi­cients de sécu­rité (dimen­sion­nement au plus juste) et donc poten­tielle­ment moins lourds donc moins de car­bu­rant, moins de pol­lu­tion, mais aus­si plus de sécu­rité. La suc­cess-sto­ry de ces nou­veaux matéri­aux repose sur des gains de per­for­mances et des réduc­tions : réduc­tion des rejets de gaz pol­lu­ants, réduc­tion des débris, du bruit, réduc­tion des mass­es des moteurs et aug­men­ta­tion des ren­de­ments. « Les enjeux sont énormes. 

Au lab­o­ra­toire Rober­val, une équipe de six chercheurs, trois doc­tor­ants et trois post-docs tra­vail­lent sur ces sujets. La pro­tec­tion de l’environnement est impor­tante. Nous y con­tribuons depuis longtemps en cher­chant à alléger les struc­tures. Lorsque j’ai com­mencé, j’étais déjà alerte sur ces ques­tions. Aujourd’hui, nous le sommes encore plus. Col­la­bor­er avec des indus­triels qui s’en préoc­cu­pent est cap­i­tal égale­ment pour nous, cela per­met de met­tre en appli­ca­tion les pro­duits de la recherche », insiste Zoheir Abura. 

Des ingénieurs acteurs 

Safran a réal­isé une véri­ta­ble rup­ture tech­nologique en intro­duisant les matéri­aux com­pos­ites à ren­fort 3D au sein de ses moteurs sous l’impulsion de Bruno Dambrine, expert émérite à Safran. Ain­si, sous sa con­duite, les pre­miers travaux ont débuté dans les années 1995- 1996, à la recherche de matéri­aux can­di­dats pour la réal­i­sa­tion des aubes fans en rem­place­ment du titane. L’UTC a été impliquée très tôt dans les pre­mières recherch­es pour accom­pa­g­n­er Safran. Une décen­nie plus tard et plusieurs cen­taines de mil­li­er d’heures de recherch­es, de tests et de cal­culs, le moteur LEAP est cer­ti­fié (2016).

C’est le développe­ment de com­pos­ites à ren­fort tis­sés 3D obtenus par injec­tion RTM (Resin Trans­fert Mold­ing) qui a per­mis la créa­tion d’une nou­velle généra­tion des aubes et du carter de la souf­flante dans le moteur LEAP. Cela a ain­si véri­ta­ble­ment révo­lu­tion­né la con­cep­tion des moteurs. En effet, plus légers et plus résis­tants que les métaux et alliages qu’ils rem­pla­cent, les matéri­aux com­pos­ites représen­tent un axe de pro­grès con­sid­érable pour l’industrie aéro­nau­tique. Ils sont l’une des inno­va­tions majeures du nou­veau moteur LEAP, sélec­tion­né par Air­bus pour propulser son A320neo, par Boe­ing pour son 737-MAX, et par COMAC pour son C‑919. Le moteur LEAP a per­mis une réduc­tion de masse de 450 kg, il est moins pol­lu­ant (réduc­tion de 16 % des émis­sions CO2 et 50 % de NO) et per­met une diminu­tion de 15 dB du niveau sonore. Les recherch­es en cours sur de nou­velles généra­tions de matéri­aux (comme les com­pos­ites à matrice céramique pour des appli­ca­tions très hautes tem­péra­tures) et leur intro­duc­tion dans les moteurs per­me­t­tent d’espérer des gains de mass­es et des ren­de­ments supplémentaires. 

« Il y a encore beau­coup de tra­vail pour nos ingénieurs et doc­teurs dans ces domaines. Dévelop­per de nou­veaux matéri­aux, com­pren­dre leurs com­porte­ments, dévelop­per des mod­èles robustes, les inté­gr­er dans les codes de cal­culs pour un dimen­sion­nement au plus juste (réduc­tion des fac­teurs de sécu­rité appelés aus­si fac­teurs d igno­rance), con­clut-il. Ce sont autant de leviers qui per­me­t­tront de con­tribuer à la réduc­tion de notre impact sur l’en­vi­ron­nement. Nous for­mons donc nos ingénieurs et doc­teurs dans cette optique. Ils seront demain des acteurs majeurs au sein des entre­pris­es et auront donc un rôle pri­mor­dial pour réduire notre empreinte envi­ron­nemen­tale. Le réchauf­fe­ment cli­ma­tique nous influ­ence tous et il devient donc l’affaire de tous. » 

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