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Impact de l’humidité sur les systèmes de résine du préimprégné UD
Les systèmes de résine utilisés pour les préimprégnés unidirectionnels, qu’ils soient époxy ou phénoliques, sont fortement hygroscopiques et absorbent facilement l’humidité, notamment à la température de transition vitreuse (Tg) des systèmes de résine. Les chaînes polymères des résines contiennent des groupes polaires qui se lient à l’eau. Cela conduit à deux situations préoccupantes majeures : (i) la plastification induite par l’eau dans la résine, et (ii) l’hydrolyse, c’est-à-dire la rupture des liaisons chimiques dans le système de résine causée par l’eau. Une absorption d’humidité importante (supérieure à 60 % d’humidité relative) se produit en quelques jours dans les zones riches en résine situées entre les fibres, entraînant un gonflement ainsi que des contraintes dues à l’absorption d’eau par la résine. La résine s’assouplit et adhère mal aux fibres. En conséquence, le transfert de charge à l’interface résine-fibre est compromis. Ce phénomène est particulièrement problématique pour les préimprégnés UD, car la résine est plus concentrée dans la direction des fibres.
L'humidité favorise l'apparition de points de défaillance potentiels, même avant le début du durcissement. Les fabricants doivent atténuer ce risque pendant le stockage et la manutention.
Dynamique de diffusion : Le mécanisme de l'architecture unidirectionnelle des fibres et de l'humidité ambiante
Les préimprégnés unidirectionnels (UD) absorbent l’eau à un taux nettement plus élevé que les matériaux tissés, et une des principales raisons en est la façon dont l’humidité interagit avec les fibres. Lorsque toutes les fibres sont alignées rectilignement, des microcanaux se forment aux jonctions entre les fibres et la résine. Cela permet un déplacement de l’humidité à travers les faisceaux de fibres à des vitesses 3 à 5 fois supérieures à celles observées dans les résines correspondantes, dans des conditions d’humidité identiques. Par exemple, à une humidité relative de 75 %, un préimprégné UD d’épaisseur standard commencera à absorber de l’eau dans les 8 heures, bien avant les matériaux tissés, qui nécessiteront 2 jours. Trois facteurs principaux contribuent à ce phénomène. Le premier est que les fibres rectilignes du préimprégné présentent un rapport volume/surface plus élevé, ce qui favorise un déplacement plus efficace de l’humidité. Le second est que l’érosion des faisceaux de fibres laisse derrière elle des conduits humides, ce qui accroît encore davantage le déplacement de l’humidité à travers la résine. Ces conditions dégradent rapidement l’intégrité du préimprégné. Des cycles successifs de chauffage et de refroidissement provoquent la formation de très faibles courants à l’intérieur des faisceaux de fibres, ce qui accélère l’érosion hydrique du préimprégné.
Microvides, cloques et délaminages dans les stratifiés de préimprégnés unidirectionnels
Formation de vides induite par l’humidité (> 0,3 % en masse → augmentation > 15 % du volume de vides, selon la norme ASTM D2734)
Les microvides se forment dans les matériaux composites pendant le processus de durcissement, lorsque l’humidité absorbée par les matériaux se transforme en vapeur et se dilate. Les vides peuvent représenter plus de 15 % du volume total, même lorsque la teneur en humidité n’atteint que 0,3 % en masse. Ce phénomène est inacceptable selon les normes aérospatiales ASTM D2734. Par la suite, ces vides créent des problèmes essentiels aux interfaces entre la résine et les fibres, privant ces interfaces d’une quantité suffisante de résine et réduisant ainsi l’intégrité structurelle du composite. Les matériaux préimprégnés unidirectionnels sont sensibles à l’humidité et ont tendance à absorber celle-ci plus facilement que d’autres types de préimprégnés composites. Les fabricants doivent donc contrôler rigoureusement le taux d’humidité relative afin d’éviter la formation excessive de vides et de garantir que les matériaux préimprégnés composites ne soient pas rejetés lors de la production.
Défauts liés au durcissement : cloquage et séparation interlaminaires dues à l’humidité
Lorsque l'humidité est piégée dans les matériaux composites, sa présence entraîne une augmentation de la vapeur et de la pression pendant l'autoclavage, provoquant des cloques dans la résine et une séparation des couches. Les données sont claires : lors de l'autoclavage, les préimprégnés composites présentant une humidité relative supérieure à 75 % pendant la stratification ont développé des cloques près de deux fois plus fréquemment que les préimprégnés composites présentant une humidité relative inférieure à 30 % pendant la stratification. Une fois que le suintement de résine et la séparation des couches se produisent, des contraintes mécaniques dommageables peuvent aggraver ces problèmes. Ces problèmes revêtent une importance considérable pour la résistance à la fatigue des composants aéronautiques, en raison de l’importance critique de l’intégrité structurelle des composants aéronautiques. Le stockage et le transport des matériaux préimprégnés illustrent à quel point la gestion des salles sèches est cruciale pour garantir que les composites préimprégnés unidirectionnels offriront des performances optimales lors de leur mise en service.
Conséquences réelles : incidences sur les défaillances sur site et les certifications aérospatiales
Incident de délaminage de la peau d’aile de l’Airbus A350 : la cause identifiée est une teneur en humidité élevée dans le préimprégné unidirectionnel (UD)
Lors de la réalisation d’essais en vol sur l’un des avions les plus récemment développés, les ingénieurs ont constaté que le délaminage de la peau des ailes était dû à une teneur en humidité trop élevée du préimprégné unidirectionnel (UD). Que signifie « trop humide » ? Tout simplement : supérieure à 0,4 % en masse. Que s’est-il donc produit ? Le préimprégné UD a subi des microfissures qui, non seulement, ont provoqué le délaminage de la peau, mais ont également entraîné des conséquences graves, à hauteur de 200 millions de dollars de coûts de refonte et de retards de 11 mois avant l’obtention de la certification conforme à la circulaire de sécurité EASA 2022. Ces retards cités illustrent l’importance d’un suivi rigoureux de l’humidité dans les préimprégnés afin d’éviter des refontes coûteuses et des retards réglementaires. L’exposition des préimprégnés à une humidité excessive altère les matériaux et rend nécessaire une nouvelle qualification réglementaire coûteuse, exigée tant par la FAA que par l’EASA. Données relatives aux panneaux de fuselage du Boeing 787 : une exposition à 75 % d’humidité relative double le phénomène de cloquage par rapport à un stockage contrôlé à moins de 30 % d’humidité relative.
Des données rendues accessibles par un important fabricant aérospatial concernant l'absorption d'humidité par les panneaux de fuselage présentent des résultats alarmants. Ces données indiquent que les panneaux exposés à une humidité relative de 75 % pendant 48 heures présentent environ 32 % de porosité. Les préimprégnés unidirectionnels (UD) stockés à une humidité relative inférieure à 30 % présentent quant à eux 16 % de porosité, ce qui est considéré comme entraînant moins de cloquage lié à l'humidité. Ce cloquage lié à l'humidité est déjà jugé hors des limites acceptables par les normes de navigabilité, lesquelles, conformément à la norme SAE AIR 7292, exigent une tolérance aux pores de 5 % pour les composants structurels primaires d'une fuselage. Bien entendu, cela signifie également que les coûts de réparation deviennent exorbitants. Une autre découverte intéressante issue de travaux complémentaires en laboratoire est que, pour chaque augmentation de 10 % de l'humidité relative, le temps de manipulation sûr des matériaux préimprégnés diminue d'environ 15 heures, c'est-à-dire le délai avant que la résine ne subisse une dégradation irréversible due à la chaleur. C’est pourquoi, dans les environnements de fabrication, une gestion efficace de l’humidité améliore considérablement la plage opérationnelle.
Contrôle réussi de l'humidité pour les préimprégnés UD
Meilleures méthodes : spécifications des salles sèches (ISO 12944-2), sachets dessiccatifs et NIR en temps réel
Le contrôle qualité des matériaux préimprégnés UD, ou même simplement le maintien d’un niveau d’humidité maîtrisé, est impératif. Par exemple, les salles sèches conçues pour répondre ou se conformer à la norme ISO 12944-2 permettent de maintenir l’humidité à 30 % (HR) ou en dessous, afin d’éviter la dégradation de la résine pendant la manipulation. En complément, les bandes indicatrices d’humidité avec dessiccant, conditionnées sous vide, bloquent environ 95 % du contact de l’air avec la résine, contre les films standards de barrière à l’humidité. Pour une mesure continue et sans entrave de la teneur en humidité de la résine (supérieure à 0,1 % en masse), des capteurs d’humidité par proche infrarouge (NIR) sont disponibles et émettent une alarme dès que le seuil est atteint. L’association de toutes ces méthodologies permet d’obtenir une réduction exceptionnelle des vides (jusqu’à 80 %) et l’élimination totale des cloques durant le cycle de cuisson. Ce résultat est particulièrement remarquable, compte tenu de la confiance accrue dont disposent désormais les fabricants concernant leurs pratiques de stockage des matériaux, confiance fondée sur des études de vieillissement accéléré menées dans des environnements artificiellement chauds et humides, représentatifs des conditions tropicales.
FAQ
Quelle est la préoccupation principale liée aux systèmes de résine préimprégnée unidirectionnelle (UD) ?
La préoccupation principale liée aux systèmes de résine préimprégnée unidirectionnelle (UD) est l’absorption d’humidité, qui entraîne à son tour une plastification et une hydrolyse, compromettant ainsi l’intégrité structurelle du matériau.
Pourquoi les préimprégnés UD absorbent-ils davantage d’humidité que les matériaux tissés ?
La structure à fibres droites des préimprégnés UD permet une pénétration de l’humidité plus facile que dans les matériaux tissés. En outre, les variations de température aggravent cette pénétration.
Quels sont les effets d’une teneur excessive en humidité dans les préimprégnés UD ?
Un excès d’humidité peut provoquer la formation de vides, de cloques et de délaminations, tous facteurs compromettant l’intégrité structurelle et pouvant conduire à des défaillances catastrophiques.
Comment contrôler l’humidité dans les préimprégnés UD ?
L’utilisation de salles sèches, d’emballages desséchants et de systèmes de surveillance en temps réel par infrarouge proche permet de maîtriser les niveaux d’humidité.