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.