Matériaux aéronautiques non métalliques
L'utilisation de magnésium, de plastique, de tissu et de bois dans la construction aéronautique a presque disparu depuis le milieu des années 1950. L'utilisation de l'aluminium a également considérablement diminué, passant de 80% des cellules en 1950 à environ 15% d'aluminium et d'alliages d'aluminium aujourd'hui pour la construction des cellules. Ces matériaux sont remplacés par des matériaux aéronautiques non métalliques, tels que les plastiques renforcés et les composites avancés.
Bois
Les premiers avions étaient construits en bois et en tissu. Aujourd'hui, à l'exception des restaurations et de certains avions de construction artisanale, très peu de bois est utilisé dans la construction aéronautique.
Plastiques
Les plastiques sont utilisés dans de nombreuses applications dans les avions modernes. Ces applications vont des composants structuraux en plastiques thermodurcissables renforcés de fibre de verre aux garnitures décoratives en matériaux thermoplastiques en passant par les fenêtres.
Plastiques transparents
Les matières plastiques transparentes utilisées dans les auvents d'aéronefs, tels que les pare-brise, les fenêtres et autres enceintes transparentes similaires, peuvent être divisées en deux grandes classes ou groupes : les thermoplastiques et les thermodurcissables. Ces plastiques sont classés selon leur réaction à la chaleur. Les matériaux thermoplastiques se ramollissent lorsqu'ils sont chauffés et durcissent lorsqu'ils sont refroidis. Ces matériaux peuvent être chauffés jusqu'à ce qu'ils soient tendres, puis façonnés dans la forme souhaitée. Une fois refroidis, ils conservent cette forme. Le même morceau de plastique peut être réchauffé et remodelé un certain nombre de fois sans modifier la composition chimique des matériaux.
Les plastiques thermodurcissables durcissent lors du chauffage et le réchauffage n'a aucun effet ramollissant. Ces plastiques ne peuvent pas être remodelés une fois complètement durcis par l'application de chaleur.
En plus des classes ci-dessus, les plastiques transparents sont fabriqués sous deux formes : monolithique (solide) et stratifié. Les plastiques transparents stratifiés sont fabriqués à partir de feuilles de plastique transparentes liées par un matériau de couche interne, généralement du polyvinylbutyryle. En raison de ses qualités de résistance aux éclats, le plastique laminé est supérieur aux plastiques solides et est utilisé dans de nombreux avions pressurisés.
La plupart des feuilles transparentes utilisées dans l'aviation sont fabriquées conformément à diverses spécifications militaires. Un nouveau développement dans les plastiques transparents est l'acrylique étiré. L'acrylique étiré est un type de plastique qui, avant d'être façonné, est tiré dans les deux sens pour réorganiser sa structure moléculaire. Les panneaux acryliques étirés ont une plus grande résistance aux chocs et sont moins sujets aux éclats; sa résistance chimique est plus grande, les bordures sont plus simples et les craquelures et rayures sont moins préjudiciables.
Des feuilles individuelles de plastique sont recouvertes d'un papier de masquage épais auquel un adhésif sensible à la pression a été ajouté. Ce papier aide à prévenir les rayures accidentelles pendant le stockage et la manipulation. Veillez à éviter les rayures et les entailles qui peuvent être causées par le glissement des feuilles les unes contre les autres ou sur des tables rugueuses ou sales.
Si possible, stockez les feuilles dans des bacs inclinés d'environ 10° par rapport à la verticale. S'ils doivent être entreposés horizontalement, les piles ne doivent pas dépasser 18 pouces de haut et les petites feuilles doivent être empilées sur les plus grandes pour éviter les surplombs non soutenus. Conserver dans un endroit frais et sec, à l'écart des vapeurs de solvants, des serpentins de chauffage, des radiateurs et des conduites de vapeur. La température dans la salle de stockage ne doit pas dépasser 120 °F.
Bien que la lumière directe du soleil n'endommage pas le plastique acrylique, elle provoque le séchage et le durcissement de l'adhésif de masquage, ce qui rend difficile le retrait du papier. Si le papier ne roule pas facilement, placez la feuille dans un four à 250 °F pendant 1 minute maximum. La chaleur ramollit l'adhésif de masquage pour un retrait facile du papier.
Si un four n'est pas disponible, retirez le papier de masquage durci en ramollissant l'adhésif avec du naphta aliphatique. Frottez le papier de masquage avec un chiffon imbibé de naphta. Cela ramollit l'adhésif et libère le papier du plastique. Les feuilles ainsi traitées doivent être lavées immédiatement à l'eau claire en prenant soin de ne pas rayer les surfaces.
Remarque : Le naphta aliphatique ne doit pas être confondu avec le naphta aromatique et les autres solvants de nettoyage à sec, qui ont des effets nocifs sur le plastique. Cependant, le naphta aliphatique est inflammable et toutes les précautions concernant l'utilisation de liquides inflammables doivent être respectées.
Matériaux composites
Dans les années 1940, l'industrie aéronautique a commencé à développer des fibres synthétiques pour améliorer la conception des avions. Depuis, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés. Lorsque les composites sont mentionnés, la plupart des gens pensent uniquement à la fibre de verre, ou peut-être au graphite ou aux aramides (Kevlar). Les composites ont commencé dans l'aviation, mais sont maintenant adoptés par de nombreuses autres industries, notamment la course automobile, les articles de sport et la navigation de plaisance, ainsi que les utilisations de l'industrie de la défense.
Un matériau « composite » est défini comme un mélange de différents matériaux ou objets. Cette définition est si générale qu'elle pourrait faire référence à des alliages métalliques fabriqués à partir de plusieurs métaux différents pour améliorer la résistance, la ductilité, la conductivité ou toute autre caractéristique souhaitée. De même, la composition des matériaux composites est une combinaison de renforts, tels qu'une fibre, un whisker ou une particule, entourés et maintenus en place par une résine formant une structure. Séparément, le renfort et la résine sont très différents de leur état combiné. Même dans leur état combiné, ils peuvent toujours être identifiés individuellement et séparés mécaniquement. Un composite, le béton, est composé de ciment (résine) et de gravier ou de tiges de renforcement pour le renforcement pour créer le béton.
Avantages/Inconvénients des Composites
Certains des nombreux avantages de l'utilisation de matériaux composites sont les suivants :
• Rapport résistance/poids élevé
• Transfert de contrainte de fibre à fibre permis par la liaison chimique
• Module (rapport rigidité/densité) 3,5 à 5 fois supérieur à celui de l'acier ou de l'aluminium
• Durée de vie plus longue que les métaux
• Meilleure résistance à la corrosion
• Résistance à la traction 4 à 6 fois celle de l'acier ou de l'aluminium
• Une plus grande flexibilité de conception
• La construction collée élimine les joints et les attaches
• Facilement réparable
Les inconvénients des composites incluent :
• Méthodes d'inspection difficiles à mener, en particulier la détection de délaminage (les progrès technologiques finiront par corriger ce problème.)
• Manque de base de données de conception à long terme, méthodes technologiques relativement nouvelles
• Coût
• Équipement de traitement très coûteux
• Absence de système normalisé de méthodologie
• Grande variété de matériaux, procédés et techniques
• Manque général de connaissances et d'expertise en matière de réparation
• Produits souvent toxiques et dangereux
• Manque de méthodologie standardisée pour la construction et les réparations
La résistance accrue et la capacité de concevoir pour les besoins de performance du produit rendent les composites bien supérieurs aux matériaux traditionnels utilisés dans les avions d'aujourd'hui. Alors que de plus en plus de composites sont utilisés, les coûts, la conception, la facilité d'inspection et les informations sur les avantages résistance-poids aident les composites à devenir le matériau de choix pour la construction aéronautique.
Sécurité composite
Les produits composites peuvent être très nocifs pour la peau, les yeux et les poumons. À long ou à court terme, les gens peuvent devenir sensibilisés aux matériaux avec de graves irritations et problèmes de santé. La protection personnelle est souvent inconfortable, chaude et difficile à porter ; cependant, un peu d'inconfort lors du travail avec les matériaux composites peut prévenir de graves problèmes de santé ou même la mort.
La protection contre les particules respiratoires est très importante pour protéger les poumons des dommages permanents causés par de minuscules bulles de verre et des morceaux de fibre. Au minimum, un masque anti-poussière approuvé pour la fibre de verre est une nécessité. La meilleure protection est un respirateur avec filtres anti-poussière. Le bon ajustement d'un respirateur ou d'un masque anti-poussière est très important, car si l'air autour du joint est respiré, le masque ne peut pas protéger les poumons du porteur. Lorsque vous travaillez avec des résines, il est important d'utiliser une protection contre la vapeur. Les filtres à charbon dans un respirateur éliminent les vapeurs pendant un certain temps. Lorsque vous retirez le respirateur pour les pauses et que vous remettez le masque, si vous sentez les vapeurs de résine, remplacez immédiatement les filtres. Parfois, les filtres à charbon durent moins de 4 heures. Rangez le respirateur dans un sac scellé lorsqu'il n'est pas utilisé. Si vous travaillez avec des matériaux toxiques pendant une période prolongée,
Évitez tout contact de la peau avec les fibres et autres particules en portant des pantalons longs et des manches longues ainsi que des gants ou des crèmes protectrices. Les yeux doivent être protégés à l'aide de lunettes étanches (pas de trous d'aération) lorsque vous travaillez avec des résines ou des solvants, car les dommages chimiques aux yeux sont généralement irréversibles.
Matériaux renforcés de fibres
Le but du renforcement dans les plastiques renforcés est de fournir l'essentiel de la résistance. Les trois principales formes de renforts fibreux sont les particules, les moustaches et les fibres.
Une particule est un morceau de matière carré. Les bulles de verre (cellule Q) sont des sphères de verre creuses et, comme leurs dimensions sont égales sur tous les axes, on les appelle une particule.
Une moustache est un morceau de tissu plus long que large. Les whiskers sont généralement des monocristaux. Ils sont très solides et utilisés pour renforcer la céramique et les métaux.
Les fibres sont des filaments simples beaucoup plus longs que larges. Les fibres peuvent être faites de presque n'importe quel matériau et ne sont pas cristallines comme les moustaches. Les fibres sont la base de la plupart des composites. Les fibres sont plus petites que les cheveux humains les plus fins et sont normalement tissées dans des matériaux ressemblant à du tissu.
Structures stratifiées
Les composites peuvent être fabriqués avec ou sans noyau interne de matériau. La structure stratifiée avec un noyau central est appelée structure sandwich. La construction en stratifié est solide et rigide, mais lourde. Le stratifié sandwich est de résistance égale et son poids est bien inférieur; moins de poids est très important pour les produits aérospatiaux.
Le noyau d'un stratifié peut être fabriqué à partir de presque n'importe quoi. La décision est normalement basée sur l'utilisation, la résistance et les méthodes de fabrication à utiliser.
Divers types de noyaux pour structures stratifiées comprennent la mousse rigide, le bois, le métal ou la préférence aérospatiale du nid d'abeille en papier, Nomex, carbone, fibre de verre ou métal. La figure montre une structure sandwich typique. Il est très important de suivre les techniques appropriées pour construire ou réparer des structures stratifiées afin de s'assurer que la résistance n'est pas compromise. Prendre un stratifié haute densité ou une face et une plaque arrière pleines et prendre en sandwich un noyau au milieu forment un assemblage en sandwich. L'ingénieur de conception, en fonction de l'application prévue de la pièce, décide de la sélection des matériaux pour la face et la plaque arrière. Il est important de suivre les instructions spécifiques du manuel de maintenance des constructeurs concernant les procédures d'essai et de réparation telles qu'elles s'appliquent à un aéronef particulier.
Plastique renforcé
Le plastique renforcé est un matériau thermodurcissable utilisé dans la fabrication de radômes, de couvercles d'antenne et de bouts d'ailes, et comme isolant pour divers équipements électriques et piles à combustible. Il possède d'excellentes caractéristiques diélectriques qui le rendent idéal pour les radômes ; cependant, son rapport résistance / poids élevé, sa résistance à la moisissure, à la rouille et à la pourriture, et sa facilité de fabrication le rendent également adapté aux autres parties de l'avion.
Les composants en plastique renforcé des aéronefs sont formés de stratifiés solides ou de stratifiés de type sandwich. Les résines utilisées pour imprégner les tissus de verre sont du type à pression de contact (nécessitant peu ou pas de pression pendant le durcissement). Ces résines sont fournies sous forme liquide, dont la viscosité peut varier d'une consistance semblable à celle de l'eau à un sirop épais. Le durcissement ou la polymérisation est affecté par l'utilisation d'un catalyseur, généralement du peroxyde de benzoyle.
Les stratifiés solides sont constitués de trois couches ou plus de tissus imprégnés de résine "stratifiés par voie humide" ensemble pour former une face en feuille solide ou une forme moulée.
Les stratifiés de type sandwich sont constitués de deux parements en feuille solide ou plus ou d'une forme moulée renfermant un noyau en nid d'abeille en fibre de verre ou en mousse. Les noyaux en nid d'abeilles sont constitués de tissus de verre imprégnés de polyester ou d'une combinaison de nylon et de résines phénoliques. La densité spécifique et la taille des cellules des noyaux en nid d'abeilles varient sur une latitude considérable. Les noyaux en nid d'abeilles sont normalement fabriqués en blocs qui sont ensuite coupés à l'épaisseur souhaitée sur une scie à ruban.
Les noyaux de type mousse sont formulés à partir de combinaisons de résines alkydes et de diisocyanate de métatoluène. Les composants en fibre de verre de type sandwich remplis d'âmes de type mousse sont fabriqués avec des tolérances extrêmement étroites sur l'épaisseur globale du revêtement moulé et du matériau de l'âme. Pour obtenir cette précision, la résine est coulée dans une forme moulée à tolérance étroite. La formulation de résine mousse immédiatement pour remplir le vide dans la forme moulée et forme une liaison entre le parement et le noyau.
Caoutchouc
Le caoutchouc est utilisé pour empêcher l'entrée de saleté, d'eau ou d'air et pour empêcher la perte de fluides, de gaz ou d'air. Il est également utilisé pour absorber les vibrations, réduire le bruit et amortir les charges d'impact. Le terme «caoutchouc» est aussi complet que le terme «métal». Il est utilisé pour inclure non seulement le caoutchouc naturel, mais également tous les caoutchoucs synthétiques et silicones.
Caoutchouc naturel
Le caoutchouc naturel a de meilleures propriétés de traitement et physiques que le caoutchouc synthétique ou de silicone. Ces propriétés comprennent la flexibilité, l'élasticité, la résistance à la traction, la résistance à la déchirure et la faible accumulation de chaleur due à la flexion (hystérésis). Le caoutchouc naturel est un produit à usage général ; cependant, son aptitude à l'utilisation dans les aéronefs est quelque peu limitée en raison de sa résistance inférieure à la plupart des influences qui causent la détérioration. Bien qu'il offre une excellente étanchéité pour de nombreuses applications, il gonfle et se ramollit souvent dans tous les carburants aéronautiques et dans de nombreux solvants (naphtas, etc.). Le caoutchouc naturel se détériore plus rapidement que le caoutchouc synthétique. Il est utilisé comme matériau d'étanchéité pour les systèmes eau/méthanol.
Caoutchouc synthétique
Le caoutchouc synthétique est disponible en plusieurs types, chacun étant composé de différents matériaux pour donner les propriétés souhaitées. Les plus utilisés sont les butyles, les Bunas et le néoprène.
Le butyle est un caoutchouc d'hydrocarbure avec une résistance supérieure à la perméation des gaz. Il est également résistant à la détérioration ; cependant, ses propriétés physiques comparatives sont nettement inférieures à celles du caoutchouc naturel. Le butyle résiste à l'oxygène, aux huiles végétales, aux graisses animales, aux alcalis, à l'ozone et aux intempéries.
Comme le caoutchouc naturel, le butyle gonfle dans les solvants du pétrole ou du goudron de houille. Il a un faible taux d'absorption d'eau et une bonne résistance à la chaleur et aux basses températures. Selon le grade, il convient à une utilisation à des températures allant de -65 ° F à 300 ° F. Le butyle est utilisé avec les fluides hydrauliques à base d'ester phosphate (Skydrol™), les fluides à base de silicone, les gaz, les cétones et les acétones.
Le caoutchouc Buna-S ressemble au caoutchouc naturel à la fois dans les caractéristiques de traitement et de performance. Buna-S est aussi résistant à l'eau que le caoutchouc naturel, mais a des caractéristiques de vieillissement un peu meilleures. Il a une bonne résistance à la chaleur, mais seulement en l'absence de flexion sévère. Généralement, le Buna-S a une faible résistance à l'essence, à l'huile, aux acides concentrés et aux solvants. Buna-S est normalement utilisé pour les pneus et les chambres à air en remplacement du caoutchouc naturel.
Buna-N se distingue par sa résistance aux hydrocarbures et autres solvants ; cependant, il a une faible résilience dans les solvants à basse température. Les composés Buna-N ont une bonne résistance aux températures jusqu'à 300 ° F et peuvent être achetés pour des applications à basse température jusqu'à -75 ° F. Buna-N a une bonne résistance aux déchirures, à la lumière du soleil et à l'ozone. Il a une bonne résistance à l'abrasion et de bonnes propriétés de rupture lorsqu'il est utilisé en contact avec du métal. Lorsqu'il est utilisé comme joint sur un piston hydraulique, il ne colle pas à la paroi du cylindre. Buna-N est utilisé pour les tuyaux d'huile et d'essence, les revêtements de réservoir, les joints et les joints.
Le néoprène peut être plus résistant que le caoutchouc naturel et possède de meilleures caractéristiques à basse température. Il possède une résistance exceptionnelle à l'ozone, au soleil, à la chaleur et au vieillissement. Le néoprène ressemble et se sent comme du caoutchouc. Le néoprène, cependant, ressemble moins au caoutchouc dans certaines de ses caractéristiques que le butyle ou le Buna. Les caractéristiques physiques du néoprène, telles que la résistance à la traction et l'allongement, ne sont pas égales à celles du caoutchouc naturel, mais présentent une nette similitude. Sa résistance à la déchirure, ainsi que sa résistance à l'abrasion, est légèrement inférieure à celle du caoutchouc naturel. Bien que sa récupération de distorsion soit complète, elle n'est pas aussi rapide que le caoutchouc naturel.
Le néoprène a une résistance supérieure à l'huile. Bien qu'il s'agisse d'un bon matériau à utiliser dans les systèmes à essence non aromatique, il a une faible résistance à l'essence aromatique. Le néoprène est principalement utilisé pour les joints d'étanchéité, les canaux de fenêtre, les coussinets de pare-chocs, les tuyaux résistants à l'huile et les diaphragmes de carburateur. Il est également recommandé pour une utilisation avec les lubrifiants Freon™ et ester de silicate.
Le thiokol, également connu sous le nom de caoutchouc polysulfure, a la plus haute résistance à la détérioration mais se classe au plus bas en termes de propriétés physiques. Le pétrole, les hydrocarbures, les esters, les alcools, l'essence ou l'eau, en général, n'affectent pas sérieusement les Thiokols. Les thiokols sont classés bas dans des propriétés physiques telles que la déformation rémanente à la compression, la résistance à la traction, l'élasticité et la résistance à l'abrasion par déchirure. Le thiokol est utilisé pour les tuyaux d'huile, les revêtements de réservoirs pour l'essence d'aviation aromatique, les joints et les joints.
Les caoutchoucs de silicone sont un groupe de matériaux en caoutchouc plastique fabriqués à partir de silicium, d'oxygène, d'hydrogène et de carbone. Les silicones ont une excellente stabilité à la chaleur et une flexibilité à très basse température. Ils conviennent aux joints d'étanchéité, aux joints d'étanchéité ou à d'autres applications où des températures élevées jusqu'à 600 ° F sont répandues. Les caoutchoucs de silicone résistent également à des températures allant jusqu'à -150 ° F. Tout au long de cette plage de températures, le caoutchouc de silicone reste extrêmement flexible et utile, sans dureté ni gomme. Bien que ce matériau ait une bonne résistance aux huiles, il réagit défavorablement aux essences aromatiques et non aromatiques.
Silastic, l'un des silicones les plus connus, est utilisé pour isoler les équipements électriques et électroniques. En raison de ses propriétés diélectriques sur une large plage de températures, il reste flexible et exempt de craquelures et de fissures. Silastic est également utilisé pour les joints et les joints de certains systèmes d'huile.
Cordon d'amortisseur
Le cordon d'amortisseur est fabriqué à partir de brins de caoutchouc naturel enfermés dans une gaine tressée de cordons de coton tissés traités pour résister à l'oxydation et à l'usure. Une grande tension et un allongement sont obtenus en tissant la gaine sur le faisceau de brins de caoutchouc pendant qu'ils sont étirés environ trois fois leur longueur d'origine.
Il existe deux types de cordon élastique absorbant les chocs. Le type I est un cordon droit et le type II est un anneau continu appelé «élastique». Les avantages du cordon de type II sont qu'il est facile et rapide à remplacer et qu'il n'est pas nécessaire de le fixer en l'étirant et en le fouettant. Le cordon de choc est disponible dans des diamètres standard de 1/4" à 13⁄16".
Trois fils colorés sont tressés dans la gaine extérieure sur toute la longueur du cordon. Deux de ces fils sont de la même couleur et représentent l'année de fabrication ; le troisième fil, d'une couleur différente, représente le trimestre de l'année au cours duquel le cordon a été fabriqué. Le code couvre une période de 5 ans puis se répète.
