Development and Manufacturing of Silver-based Conductive Materials for Lightning Strike Protection of Aircraft Composite Structures

RÉSUMÉ Grâce à leurs qualités exceptionnelles, telles que des propriétés mécaniques spécifiques élevées, une faible densité, une plus grande résistance à la corrosion, ainsi qu’une meilleure résistance à la fatigue que les alliages d’aluminium normaux utilisés dans l’aérostructure d’un avion, les matériaux composites ont rapidement changé le secteur de l’aviation. Le trafic aérien augmentant de manière exponentielle, les fabricants doivent créer des avions plus légers et plus efficaces tout en développant des constructions composites hautement performantes. La réduction de poids des aérostructures, qui est un élément fondamental de la conception, va de pair avec les objectifs de bilan carbone neutre de 2050 du système de compensation et de réduction du carbone pour l’aviation internationale (CORSIA). Toutefois, l’utilisation de composites ne protège pas la structure de l’avion contre la foudre ; les composites sont beaucoup moins conducteurs que leurs homologues en alliage d’aluminium et les rendent donc plus susceptibles à de gros dommages. Un avion est frappé par la foudre en moyenne une fois par an, et sa protection reste un critère primordial de certification selon l’Administration Fédérale de l’Aviation (FAA) et l’Association Internationale du Transport Aérien (IATA). Comme protection, la feuille de cuivre expansé (ECF), une maille métallique en cuivre est collée à la surface des structures composites et co-durcie avec l’ajout de résine époxy pour servir de protection contre la foudre en cas d’évènement. Bien que cette approche soit largement utilisée dans l’industrie aéronautique, l’objectif de réduction de la masse doit être relancé car le métal supplémentaire, avec son adhésif et sa matrice, ajoute une grande quantité de poids sans apporter aucun avantage structurel. Les objectifs du projet sont donc l’étude de nouveaux matériaux hybrides légers, qui protègent le laminé de composite sous-jacent de l’impact de foudre et qui peuvent facilement être mis à l’échelle. Ainsi, le mémoire se concentre sur les fibres de carbone plaquées à l’argent de façon autocatalytique, par le procédé de Tollen. L’argent étant le seul métal plus conducteur électriquement et thermiquement après le cuivre a été considéré pour le procédé de plaquage. Malgré le coût des sels d’argent, ce métal est un bon candidat pour des solutions hybrides, n’utilisant que de fines couches pour exploiter la conductivité du métal et la légèreté des fibres de carbone. Après le perfectionnement du plaquage et la mise à l’échelle du procédé pour recouvrir de plus grandes quantités de fibres de carbone, celles-ci ont pu être intégrées sur les laminés composites de huit plis, en guise de revêtement conducteur. Plusieurs densités de revêtements ont été testées soit 70 g m−2, 150 g m−2 et 190 g m−2. Ces densités sont représentatives des maillages de cuivre que l’on peut retrouver en industrie, mais restent toutefois plus légères que ces derniers par le fait qu’il n’y a pas de résine ajoutée. Un produit commercial à base d’époxy et de flocon d’argents a aussi été acquis et testé durant le projet en guise de comparaison. Les solutions à base d’argent ont étés comparées à des laminés peints non-protégés et des laminés recouverts de maillage de cuivre peints. Tout les revêtements d’argent ont aussi été peints pour représenter les conditions réelles d’un impact de foudre en vol. Les revêtements à base d’argent peints ont donc été soumis à l’émulateur de foudre de Polytechnique Montréal à des courants de 40 kA, inspectés par inspection non-destructive à ultrasons pour voir les défauts en profondeur et testés sous des tests de flexion quatre points pour déterminer leur rétention de propriétés mécaniques. Les revêtements à base de fibres de carbone recouvertes d’argent ont mieux performé que les panneaux non-protégés, même après l’observation de leur délamination dans les deux premiers plis du composite. En effet, ces revêtements ont gardé leurs propriétés mécaniques avec 20% d’amélioration comparé aux laminés non-protégés (47% versus 27%). Le produit commercial à base d’époxy quant à lui, n’a perdu que 3% de sa rigidité à la flexion et 17% de sa résistance à la flexion; une performance similaire au maillage de cuivre. Les revêtements testés peuvent ouvrir une nouvelle voie vers les matériaux hybrides et pourraient être potentiellement utilisés dans des géométries complexes qui seraient plus difficile à implémenter avec le maillage de cuivre. Plusieurs autres tests de caractérisation quant au comportement cyclique dans des environnements hostiles (comportement sous cycliques thermique et cycles environnementaux d’enceintes de brouillard salin) devront toutefois être effectués pour assurer la résistance de ces revêtements.

Abstract

ABSTRACT Composites materials have swiftly revolutionized the aviation industry by their outstanding characteristics such as high specific mechanical properties, low density, better corrosion resistance, as well as better fatigue life damage than typical alloys used in a plane’s aerostructure. With exponential growth of air traffic, manufacturers need to build lighter and more efficient aircrafts by tailoring and designing high-performance composite structures. Reduction of weight in aircrafts being a key design factor leads to fuel economy and goes hand in hand with the Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation (CORSIA) net zero emission goal of 2050. A key safety design factor does resurface as the use of composites does not spare the aircraft from lightning strike; composites are severely less conductive than their aluminum alloy predecessors. A copper metal mesh namely expanded copper foil (ECF) is bound to the composite structures surface to help act as lightning strike protection (LSP) in case of a lightning event. The pursuit for mass reduction is resumed with this solution, despite the fact that it is widely utilized in industry, as the added metal, combined with its adhesive and matrix, adds significant weight without offering any structural benefits. The aim of this project was thus to study light, scalable and efficient potential lightning strike protection materials that were non-structural and could effectively protect painted composite panels under lightning strike emulation. During the project, hybrid metallized carbonaceous materials were used as a means of weight reduction of LSP solutions with the added benefit of metallic conductivity. Roughly guided from other studies carried out in the scientific community, the development of silver plated milled carbon fibres was studied as well as their implementation as a conductive coating for LSP. These silver plated carbon fibres (SCCF) were integrated on composite panels in incremental areal densities 70 g m−2, 150 g m−2 and 190 g m−2 related to standard ECF densities available industrially. Another commercially outsourced product was tested as a silver-based conductive coating for comparison. All the conductive-coating were painted to represent in-flight conditions. The panels were subjected to emulated lightning strike with an in-house emulator built in a previous project at Polytechnique Montreal. The panels were subsequently analyzed by ultrasonic non destructive inspection and subjected to four point bending tests for assessment of retention of flexural strength and effective bending modulus. The tested SCCF silver-based coatings successfully protected the laminates and had 20 % better retention of flexural properties after lightning strike than unprotected panels, but exhibited 30% less retention than expanded copper foils. Delamination of the first plies was observed in all SCCF areal densities tested. The commercially outsourced product was as efficient as the expanded copper foil after impact with 83% retention of flexural strength and 97% retention of effective bending modulus. No delamination of fibre breakage was observed on the commercially outsourced product. Supplementary characterization tests such as thermal cycling and weathering tests should be done for the most promising conductive- coatings to assess their performance in life-like environment.