Caractérisation électrique et thermique de matériaux en composite de carbone utilisés en aéronautique dans le cadre d'études de solutions de retour de courant

En aéronautique, les matériaux composites sont de plus en plus considères en remplacement des alliages d'aluminium pour le fuselage des avions. Cette tendance semble principalement justifiée par une liste d'avantages de nature principalement mécanique, par exemple la réduction du poids structurel et les avantages qui en d´écoulent. Comme le fuselage des avions sert actuellement pour le retour de courant continu, le présent projet s'intéresse aux propriétés électriques et thermiques de ces matériaux composites dans le cadre de la recherche de solutions de retour de courant pour les avions en matériaux composites. Par des mesures de résistivité électrique du composite en fonction de la température am- biante, il est montré que cette dernière n'a qu'un faible impact sur la résistivité du composite. Avec les résultats obtenus, on confirme l'hypothèse selon laquelle le composite de carbone utilise pendant les essais est trop résistif pour servir, tel quel, de médium primaire de retour de courant pour les avions. L'investigation des profils équipotentiels en surface et en-dessous d'un échantillon de composite permet de mieux comprendre le mécanisme de diffusion du courant continu dans le composite. Ces résultats sont également utilisés pour estimer la résistance d'interface entre une électrode métallique d'injection du courant et le composite. Cette résistance de contact dépend, entre autres, de la préparation préalable de la surface du composite et du couple de serrage du boulon de l'électrode. La réponse thermique du composite suite au passage d'un courant continu dépend à la fois de l'amplitude du courant et de la durée d'application de ce dernier. Un seuil de courant est obtenu expérimentalement pour un échantillon donné dans le but de mieux comprendre les capacités thermiques du composite de carbone. Il est également montré que les contacts constituent la principale source de dissipation d'énergie.

Abstract

Carbon composite materials are often considered for the replacement of aluminium alloys in the design of aircraft fuselage skins. The main advantages regarding this trend come from the primary weight reduction involved with carbon composites and other related mechanical advantages. Currently, aircraft fuselage skins are thoroughly used for the electrical current return network and the actual project focuses on the characterization of some electrical and thermal properties of carbon composites in the context of aircraft current return network studies. Measurements of electrical resistivity of a given sample are done with respect to the am- bient temperature. The results show a negligible dependence between these two parameters. This experimentation also allows confirming the hypothesis that carbon composites can not be used, directly, as primary current return media in the design of electrical current networks. In order to better understand the electrical current distribution through carbon com- posites, the project measures the electrical voltage distribution on the surface and within a given composite sample. These results are also used in computing the resistance between the electrical contacts and the composite, which is found to be highly dependent on the torque applied to the electrical contact and the state of the composites surface. It is found that the thermal response of the composite to electrical current is highly dependent on the current amplitude and its duration. These tests allow evaluating a safety threshold, giving an operational thermal limit for the material. It is shown that the highest level of generated heat comes from the vicinity of the electrical contacts compared to the body of the sample.