Properties of Lightning Strike Protection Coatings

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans plusieurs domaines. Dans le cas des compagnies aéronautiques, ces matériaux sont introduits dans leurs avions pour réduire le poids et ainsi réduire les coûts de carburants. Ces avions sont donc plus légers mais la perte de conductivité électrique rend l'avion vulnérable à la foudre ; celle-ci peut frapper les avions commerciaux en moyenne une fois par an. La protection contre la foudre devient donc très importante. Les mailles de cuivre actuelles offrent une bonne protection mais elles augmentent le poids des composites. Dans le cadre du projet CRIAQ COMP-502, une équipe de partenaires industriels et de chercheurs académiques étudient de nouveaux revêtements conducteurs ayant les caractéristiques suivantes : bonne protection électromagnétique, résistance mécanique élevée, bonne protection contre l'environnement, bonne fabricabilité et des coûts modérés. Les objectifs principaux de ce mémoire, dans le cadre de ce projet, était de déterminer les caractéristiques principales (électriques et tribomécaniques) pour les revêtements conducteurs placés sur les panneaux composites. Leurs propriétés étaient également testées après des essais destructifs tels que des injections de courants et des essais environnementaux. Bombardier Aerospace a fourni le substrat, un matériau composite constitué de fibres de carbone qui renforcent une matrice époxy, et le produit commercial actuel, un film surfacique (surfacing film) qui comprend une feuille de cuivre déployé (expanded copper foil) pour comparer avec les autres revêtements. Voici la liste des revêtements conducteurs fabriqués par les étudiants: des nanoparticules d'argent dans une matrice (PEDOT:PSS ou un mélange d'époxy et de PEDOT:PSS); des nanofibres de carbone couvertes d'argent et intégrées dans le film de surface; un revêtement d'étain par projection à froid (cold spray); du graphène oxydé et fonctionnalisé (functionalized) avec des nanofils d'argent et un dépôt d'argent autocatalytique (electroless plating). De plus, dans le cadre du projet et mémoire, des revêtements d'aluminium ont été pulvérisés à l'aide d'un magnétron. Il y a trois principaux types de tests pour caractériser les revêtements conducteurs : électriques, mécaniques et environnementaux. Les tests électriques consistent à trouver la résistance-carré et la résistivité spécifique des revêtements conducteurs. Les tests mécaniques comprennent l'adhérence, le test d'éraflure, la dureté et le module de Young des revêtements. Les tests environnementaux comprennent des cycles thermiques et embrun salin (salt spray).

Abstract

Composite materials are being increasingly used by many industries. In the case of aerospace companies, those materials are installed on their aircraft to save weight, and thus, fuel costs. These aircraft are lighter, but the loss of electrical conductivity makes aircraft vulnerable to lightning strikes, which hit commercial aircrafts on average once per year. This makes lightning strike protection very important, and while current metallic expanded copper foils offer good protection, they increase the weight of composites. Therefore, under the CRIAQ COMP-502 project, a team of industrial partners and academic researchers are investigating new conductive coatings with the following characteristics: High electromagnetic protection, high mechanical resistance, good environmental protection, manufacturability and moderate cost. The main objectives of this thesis, as part of this project, was to determine the main characteristics, such as electrical and tribomechanical properties, of conductive coatings on composite panels. Their properties were also to be tested after destructive tests such as current injection and environmental testing. Bombardier Aerospace provided the substrate, a composite of carbon fiber reinforced epoxy matrix, and the current commercial product, a surfacing film that includes an expanded copper foil used to compare with the other coatings. The conductive coatings fabricated by the students are: silver nanoparticles inside a binding matrix (PEDOT:PSS or a mix of Epoxy and PEDOT:PSS), silvered carbon nanofibers embedded in the surfacing film, cold sprayed tin, graphene oxide functionalized with silver nanowires, and electroless plated silver. Additionally as part of the project and thesis, magnetron sputtered aluminum coated samples were fabricated. There are three main types of tests to characterize the conductive coatings: electrical, mechanical and environmental. Electrical tests consist of finding the sheet resistance and specific resistivity of conductive coatings. Mechanical tests include adhesion, scratch, hardness and Young's modulus of the coatings. The environmental tests are temperature cycling and salt spray cycling. These basic characteristics were investigated first, but further tests also combine the categories, such as electrical tests before, during and after environmental tests, and the effects on the sample's mechanical properties after high electrical current injections.