Caractérisation électrique de matériaux en composite pour fuselages d'avions

Depuis plusieurs années, l'augmentation du coût du pétrole se fait sentir sur le plan international. Le pétrole étant une source primaire d'énergie largement exploité, il joue un rôle très important dans l'économie mondiale, surtout dans le domaine du transport. Ainsi afin de rester compétitif, les entreprises œuvrant en transport se doivent de modifier leur approche lors des phases de conception de nouveaux produits ou d'amélioration de produit existants. Dans le domaine de l'aéronautique par exemple, la réduction de poids dans la structure des avions demeure un aspect important, même primaire, lors de la conception de nouveaux modèles afin de les rendre plus légers et plus efficaces. Dans le cadre de ce projet, la recherche est en relation avec de nouveaux matériaux structuraux plus légers pour de nouveaux avions. À ce jour, plusieurs recherches ont été entamées afin de trouver un substitut adéquat aux matériaux présents (aluminium) dans la structure des avions. Plusieurs matériaux innovants tel que l'aluminium-lithium et le composite à base de fibre de carbone attirent beaucoup d'attention en tant que candidat de remplacement. Ce dernier présente des propriétés mécaniques (légèreté et rigidité) supérieures à l'aluminium. Ses propriétés électriques par contre demeurent peu connues. L'objectif de ce projet, proposé par Bombardier, est de trouver une technique convenable qui permettrait de caractériser le composite afin d'en ressortir ces propriétés électriques (permittivité (εr), conductivité(σ), etc.). Dans ce mémoire, les études préexistantes et plusieurs approches pour la caractérisation du composite sont présentées et discutées. Ces approches ont pour but de mieux anticiper le comportement électrique du composite sous test. Une comparaison entre éléments connus (ex. aluminium) et le composite est aussi entreprise afin de bien le situer au niveau électrique, plus particulièrement au niveau de la conductivité pour de basses fréquences (≈1 MHz) jusqu'à de hautes fréquences (≈12 GHz). Finalement, plusieurs tests de simulations sont réalisés afin de reproduire les résultats obtenus et approximer la valeur de la permittivité/ conductivité du composite.

Abstract

In the last decade or so, the rise of oil price is being felt all over the world. Oil being one of the primary sources of energy highly exploited, it plays a great role in the today's world economy, especially in the transport domain. To remain competitive, companies striving in this domain need therefore to modify their approach in the design phase of new or improved products. In the aerospace industry for example, weight reduction in aircraft structures have become a primordial aspect in the design phase of new models making them lighter and more efficient.In the framework of this project, the research is related to new weight-reduction of structural materials used in aircrafts. As of today, much research effort has been undertaken to find good substitutes to replace the materials presently used (aluminum). Several materials such as aluminum-lithium and carbon fibre composite bring great interest as substitutes. This last one presents superior mechanical properties over aluminum such as lightweight and rigidity; its electrical properties though remain still ambiguous. The objective of this project, proposed by Bombardier Core EMC, is to find a way to characterize the composite in a conventional way that would allow an extraction of its electrical properties (permittivity (εr), conductivity (σ), etc). In this Master thesis, the existing studies and characterization approaches for the composite material are presented and discussed. These approaches will help anticipate the electrical behaviour of the composite material under test. A comparison between known elements (ex: aluminum) and the composite material will also be tackled in order to gauge its conductivity level, particularly for low frequencies (≈1 MHz), and up to high frequencies (≈ 12 GHz). Finally, some tests have been simulated with electromagnetic modelling software in order to reproduce and validate the experimental results. At the end of the thesis, a discussion/conclusion presenting the results and validating their integrity is given. The results enable us to do an estimation of the composite's conductivity and to observe its attenuation properties in function of the frequency. The tests were made with composite laminated panels without wire mesh. The wire mesh here is a copper matrix integrated at the exterior surface of the composite for added electromagnetic protection.