Les plus récents jets de passagers d'Airbus et de Boeing qui volent aujourd'hui sont principalement fabriqués à partir de matériaux composites avancés tels que le plastique renforcé de fibres de carbone - extrêmement léger, des matériaux durables qui réduisent le poids total de l'avion jusqu'à 20 % par rapport aux avions à corps en aluminium. Ces cellules légères se traduisent directement par des économies de carburant, ce qui est un point majeur en faveur des composites avancés.

Mais les matériaux composites sont également étonnamment vulnérables :alors que l'aluminium peut résister à des impacts relativement importants avant de se fissurer, les nombreuses couches des composites peuvent se briser en raison d'impacts relativement faibles, un inconvénient considéré comme le talon d'Achille du matériau.

Les ingénieurs aérospatiaux du MIT ont maintenant trouvé un moyen de lier les couches composites de manière à ce que le matériau résultant soit sensiblement plus solide et plus résistant aux dommages que les autres composites avancés. Leurs résultats sont publiés cette semaine dans la revue Science et technologie des composites .

Les chercheurs ont attaché les couches de matériaux composites ensemble à l'aide de nanotubes de carbone, des rouleaux de carbone ultrafins qui, malgré leur taille microscopique, sont incroyablement forts. Ils ont intégré de minuscules « forêts » de nanotubes de carbone dans une matrice polymère semblable à de la colle, puis pressé la matrice entre des couches de composites en fibre de carbone. Les nanotubes, ressemblant à minuscule, points alignés verticalement, se sont travaillés dans les crevasses de chaque couche composite, servant d'échafaudage pour maintenir les couches ensemble.

Dans des expériences pour tester la résistance du matériau, l'équipe a constaté que, par rapport aux matériaux composites existants, les composites cousus étaient 30 pour cent plus résistants, résister à des forces plus importantes avant de se séparer.

Roberto Guzman, qui a dirigé les travaux en tant que post-doctorant MIT dans le département d'aéronautique et d'astronautique (AeroAstro), dit que l'amélioration peut conduire à plus fort, pièces d'avion plus légères, en particulier celles qui nécessitent des clous ou des boulons, qui peuvent fissurer les composites conventionnels.

« Il faut faire plus de travail, mais nous sommes vraiment certains que cela conduira à plus fort, avions plus légers, " dit Guzman, qui est aujourd'hui chercheur à l'IMDEA Materials Institute, en Espagne. "Cela signifie beaucoup de carburant économisé, ce qui est excellent pour l'environnement et pour nos poches."

Les co-auteurs de l'étude incluent le professeur d'AeroAstro Brian Wardle et des chercheurs de la société suédoise d'aérospatiale et de défense Saab AB.

"Questions de taille"

Les matériaux composites d'aujourd'hui sont composés de couches, ou plis, de fibres de carbone horizontales, maintenus ensemble par une colle polymère, que Wardle décrit comme « un très, très faible, zone problématique. » Les tentatives pour renforcer cette région de colle comprennent l'épinglage en Z et le tissage en 3D, des méthodes qui impliquent l'épinglage ou le tissage de faisceaux de fibres de carbone à travers des couches composites, semblable à pousser des clous à travers du contreplaqué, ou enfiler à travers le tissu.

"Un point ou un clou est des milliers de fois plus gros que des fibres de carbone, " Wardle dit. "Alors quand vous les conduisez à travers le composite, vous cassez des milliers de fibres de carbone et endommagez le composite."

nanotubes de carbone, par contre, ont un diamètre d'environ 10 nanomètres, soit près d'un million de fois plus petit que les fibres de carbone.

"Questions de taille, parce que nous sommes capables de mettre ces nanotubes sans perturber les plus grosses fibres de carbone, et c'est ce qui maintient la résistance du composite, " Wardle dit. "Ce qui nous aide à améliorer la résistance, c'est que les nanotubes de carbone ont 1, 000 fois plus de surface que les fibres de carbone, ce qui leur permet de mieux se lier à la matrice polymère."

Accumuler la concurrence

Guzman et Wardle ont proposé une technique pour intégrer un échafaudage de nanotubes de carbone dans la colle polymère. Ils ont d'abord fait pousser une forêt de nanotubes de carbone alignés verticalement, suivant une procédure que le groupe de Wardle a développée précédemment. Ils ont ensuite transféré la forêt sur un collant, couche composite non durcie et répété le processus pour générer un empilement de 16 plis composites - un maquillage stratifié composite typique - avec des nanotubes de carbone collés entre chaque couche.

Pour tester la résistance du matériau, l'équipe a effectué un test de résistance à la traction - un test standard utilisé pour dimensionner les pièces aérospatiales - où les chercheurs ont inséré un boulon dans un trou dans le composite, puis l'a arraché. Alors que les composites existants se cassent généralement sous une telle tension, l'équipe a découvert que les composites cousus étaient plus solides, capable de résister à 30 pour cent de force supplémentaire avant de se fissurer.

Les chercheurs ont également effectué un test de compression à trou ouvert, appliquer une force pour serrer le trou du boulon fermé. Dans ce cas, le composite cousu a résisté à 14% de force supplémentaire avant de se briser, par rapport aux composites existants.

"Les améliorations de la résistance suggèrent que ce matériau sera plus résistant à tout type d'événements ou de caractéristiques dommageables, " Wardle dit. " Et puisque la majorité des avions les plus récents sont composés à plus de 50 pour cent en poids, l'amélioration de ces composites de pointe a des implications très positives pour les performances structurelles de l'avion."

Stephen Tsaï, professeur émérite d'aéronautique et d'astronautique à l'Université de Stanford, affirme que les composites avancés sont inégalés dans leur capacité à réduire les coûts de carburant, et donc, émissions des avions.

"Avec leur poids intrinsèquement léger, il n'y a rien à l'horizon qui puisse rivaliser avec les matériaux composites pour réduire la pollution des avions commerciaux et militaires, " dit Tsaï, qui n'a pas contribué à l'étude. Mais il dit que l'industrie aérospatiale s'est abstenue d'utiliser plus largement ces matériaux, principalement en raison d'un "manque de confiance dans la tolérance aux dommages [des matériaux]]. Les travaux du professeur Wardle traitent directement de la manière dont la tolérance aux dommages peut être améliorée, et ainsi comment une meilleure utilisation des performances intrinsèquement inégalées des matériaux composites peut être réalisée."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.