Nickel Coated Carbon Fibre Nonwoven as Light, Efficient and Scalable Lightning Strike Protection for Carbon Fibre Reinforced Polymers

Le secteur aéronautique s'est engagé à réduire ses émissions de CO2, dans le but d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050. L'utilisation croissante de matériaux composites pour remplacer l'aluminium dans les pièces structurelles contribuera à accroître le rendement énergétique des avions. En effet, les polymères renforcés de fibres de carbone ont de meilleures propriétés mécaniques spécifiques que l'aluminium. Cependant, leur conductivité électrique est plus faible, ce qui les rend plus vulnérables aux dommages causés par la foudre. En effet, un avion commercial est frappé en moyenne une fois par an par la foudre. Pour compenser cette faiblesse, un grillage métallique est ajouté sur les composites pour protéger la structure contre la foudre. Ce grillage est efficace mais lourd. L'objectif de ce projet est d'étudier l'efficacité de protection contre la foudre d'une couche légère et capable d'être facilement mise à l'échelle protégeant des panneaux composites peints contre les dommages structurels, en utilisant des matériaux fabriqués commercialement à base de fibres de carbone recouvertes de nickel (FCRN). Deux stratégies sont envisagées. Pour la première, un tissé de FCRN sec est intégré à l'aide d'une couche de résine époxy comme premier pli d'un stratifié à 8 plis, ajoutant ~150 g/m². Pour la seconde, quatre types de voiles non-tissés de FCRN sont ajoutés au-dessus d'un stratifié à 8 plis, ajoutant respectivement 18, 19, 43 et 70 g/m². Plus la densité surfacique est élevée, plus la résistivité de surface du voile est faible et plus le revêtement de nickel sur les fibres est épais. Les panneaux protégés peints et non peints sont testés avec un émulateur de foudre de 40 kA, développé à Polytechnique Montréal. La surface des panneaux est observée avec une caméra thermique à haute vitesse durant le test. La caractérisation des dommages est effectuée à l'aide de quatre méthodes : une inspection par ultrasons pour les dommages en surface et interne, une observation en coupe ainsi qu'une microtomographie à rayons X pour les dommages internes et un test de flexion à 4 points pour évaluer la conservation des propriétés mécaniques après le test. Les résultats des panneaux protégés par des matériaux à base de FCRN sont comparés à deux types de panneaux de référence : des stratifiés à 8 plis protégés par un maillage de cuivre de 360 g/m² et des stratifiés à 8 plis non-protégés. Sans peinture, les panneaux protégés par le voile non-tissé avec la plus faible résistivité de surface ne présentent aucun dommage interne et une conservation de la résistance mécanique à la flexion de 97%, plus élevée que celle des panneaux protégés par le maillage de cuivre. Le non-tissé est à peine évaporé à la surface du panneau, ce qui confirme l'absence de zones de haute température observée avec la caméra thermique et indique la bonne dispersion de l'énergie de l'éclair. Le tissé de FCRN conserve 63% de sa résistance à la flexion, ce qui est dans la même plage que le stratifié non-protégé. Les panneaux peints protégés par les nontissés sont plus sévèrement endommagés que ceux protégés par l'ECF, conservant au mieux 69% de leur résistance à la flexion. A cause de la peinture, le courant de foudre a été conduit plus profondément dans le stratifié. En raison de l'effet Joule, la résine a pyrolysé à l'intérieur du stratifié. L'accumulation de gaz a généré des surpressions qui ont conduit à des délaminations et à la rupture des fibres de carbone dans les premiers plis. La peinture n'a pas eu d'effet sur les propriétés mécaniques des panneaux protégés par le maillage de cuivre : ils ont conservé la même résistance à la flexion que leurs homologues non peints avec 83 %. Les non-tissés de FCRN constituent une alternative prometteuse aux grillage métallique. Le voile de 70 g/m² est 80 % plus léger, 30 % moins cher et aussi efficace sans peinture. La mise à l'échelle de cette solution est simple car celle-ci est déjà commercialisée et pourrait être préimprégnée de résine. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour réduire l'effet néfaste de la peinture sur l'efficacité de protection contre la foudre et rendre cette solution utilisable par l'industrie aéronautique.