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MOC-Aisne) En fait, il est probable que la course aux substitutions se fera de plus en plus dans le sillage des matériaux nouveaux. Trois groupes de matériaux méritent un intérêt particulier : les alliages métalliques à propriétés particulières (essentiellement les alliages légers), les polymères techniques et les composites et, enfin, les céramiques techniques (par opposition aux céramiques traditionnelles). Dans le cadre de leurs grands programmes technologiques (programme aéronautique, programme de développement d'armements nouveaux, programmes de maîtrise de l'énergie pour l'essentiel), les pays occidentaux soutiennent massivement les efforts de recherche et de développement concernant les matériaux. Les retombées, en matière de
de développement concernant les matériaux. Les retombées, en matière de substitution, seront importantes. L'exemple des céramiques techniques permet de mesurer les enjeux, en termes de marchés à conquérir (tableau II). Il s'agit de matériaux tels que oxydes, carbures ou nitrures principalement. TABLEAU II Emploi des céramiques techniques Développements nouveaux Substitution provoquée Outils de coupe (sialon, carbure cémenté, alumines, etc.) Echangeurs de chaleur Métaux non ferreux ou aciers inox Roues de turbines (aéro nautiques ou terrestres) nickel Roulements (aéronautiques) Aciers moyennement alliés ou applications de grande masse) Utilisation des céramiques dans l'automobile : piston et culasse. (source RNUR) Le groupe des
l'automobile : piston et culasse. (source RNUR) Le groupe des matériaux macromoléculaires (renforcés ou non de fibres) pourrait donner lieu à un exposé du même genre. Bien entendu, ces développements technologiques demanderont sans doute du temps et beaucoup d'argent. Face aux évolutions des matériaux traditionnels (aciers alliés, alliages légers, superalliages, etc.) qui ne manqueront pas de se produire aussi, l'utilisateur final aura à faire des choix, avec le souci d'obtenir les meilleures performances, au meilleur prix, afin de défendre ses propres produits sur le marché. La polydisciplinarité des spécialistes du bureau d'études deviendra de plus en plus nécessaire. BIBLIOGRAPHIE 1.
bureau d'études deviendra de plus en plus nécessaire. BIBLIOGRAPHIE 1. La substitution des matériaux : la situation américaine. Note de M. BODELLE, conseiller scientifique à Washington 11.1.84. 2. Matériaux Energie. Actes du colloque de Sophia-Antipolis 20-21 janvier 1983. 3. National Symposium on critical and strategy materials 5-7 juin 1978 Washington American Chemical Society. 4. Review of technological requirements for high temperature materials R & D Publication EUR 5623 CEE -1979. 5. Colloque sur les polymères organiques utilisables à températures élevées et leurs applications Durabilité - Environnement Rueil-Malmaison 17-19 novembre 1982 IFP. 6. Technologies japonaises transférables. Journées d'information JITA / CESTA
IFP. 6. Technologies japonaises transférables. Journées d'information JITA / CESTA 17 octobre 1983 Publication CESTA. 7. Les plastiques techniques Étude du Crédit National - Avril 1983. 8. Publications du Centre de prospective et d'évaluation du ministère de l'Industrie et de la Recherche (Études et lettres flash). En fait, ces matériaux peuvent se répartir approximativement en quatre familles selon l'usage qui en est fait : a) Les matériaux de construction des structures des véhicules aérospatiaux ; b) Les matériaux de construction des moteurs ; c) Les matériaux constitutifs des équipements — notamment électroniques — embarqués ; d) Les carburants et propergols
notamment électroniques — embarqués ; d) Les carburants et propergols (si on convient d'appeler matériaux ce type de produits). A ces classes correspondent certaines conditions spécifiques imposées aux matériaux et donc des familles de matériaux capables de remplir ces conditions. Pour illustrer chacune de ces familles on citera les alliages légers d'aluminium, les superalliages de nickel, le silicium et le kérosène. 1.3. Le rapprochement des deux paragraphes précédents fournit une méthode d'approche du problème des matériaux de substitution dans l'industrie aérospatiale : on pourrait en effet examiner, pour chaque famille de matériaux, les trois classes de situations conduisant à des
de matériaux, les trois classes de situations conduisant à des substitutions de matériaux. En fait on ne procédera pas, dans ce qui suit, d'une façon aussi systématique. On ne dira rien des matériaux caractéristiques de l'électronique et de l'informatique qui, malgré le rôle essentiel qu'ils jouent dans les véhicules aérospatiaux, ne sont généralement pas spécifiques de l'industrie aérospatiale. On ne mentionnera les matériaux pour moteurs et les carburants que pour illustrer les situations d'épuisement ou d'embargo potentiels. L'essentiel du propos sera consacré aux raisons de progrès qui conduisent à substituer dans les structures des aéronefs des matériaux actuels par des
dans les structures des aéronefs des matériaux actuels par des matériaux nouveaux. 2. LA RECHERCHE DE MATERIAUX DE SUBSTITUTION, PAR CRAINTE D'INTERRUPTION DES APPROVISIONNEMENTS 2.1. La situation que l'on évoque ici est bien connue : un certain matériau, essentiel à la constitution ou au fonctionnement d'un dispositif, est en voie d'épuisement ou produit par des Etats dont on peut craindre qu'ils interrompent leurs fournitures pour une raison ou une autre (acte politique délibéré, paralysie de l'appareil productif, etc.). Il est alors important de pouvoir disposer d'un matériau de substitution, soit pour s'affranchir immédiatement de la dépendance constatée, soit pour se
pour s'affranchir immédiatement de la dépendance constatée, soit pour se ménager une solution de secours si l'interruption des approvisionnements devait effectivement survenir. Cette problématique générale concerne évidemment le secteur aérospatial ; on en donnera ci-dessous deux exemples. 2.2. La technologie des turboréacteurs modernes exige des pièces résistantes travaillant à très haute température. Pour réaliser certaines de ces pièces, on fait appel à des « superalliages » dans la constitution desquels interviennent des métaux peu courants comme le cobalt et le chrome. Pour se limiter à ce dernier, on note que la quasi-totalité de la production mondiale de chrome est due
la quasi-totalité de la production mondiale de chrome est due à cinq pays : l'Union soviétique, l'Afrique du Sud, l'Albanie, les Philippines et le Zimbabwe. Un Etat constructeur de matériels aéronautiques, qui aurait des doutes sur la stabilité de ces pays producteurs ou sur la permanence de relations amicales avec ceux-ci, s'efforcera naturellement de s'affranchir de ce lien de dépendance en cherchant des matériaux de substitution. En l'occurrence, il y a là un motif supplémentaire pour soutenir des recherches sur les céramiques dont on attend du reste des performances supérieures à celles qu'offrent les solutions actuelles. 2.3. On serait sans
à celles qu'offrent les solutions actuelles. 2.3. On serait sans doute étonné de ne pas trouver, dans un paragraphe consacré à la raréfaction — réelle ou redoutée — de certains matériaux, une mention du pétrole. De fait, les variations du prix du carburant au cours de la dernière décennie ont conduit l'industrie aéronautique à chercher à contrecarrer les influences néfastes de ces variations sur la vente de leurs produits. La voie principalement suivie a été — et reste — la recherche d'une diminution de la consommation de carburant des aéronefs, le service rendu par ces aéronefs restant égal par ailleurs.
le service rendu par ces aéronefs restant égal par ailleurs. On reviendra sur ce sujet au paragraphe suivant, mais on relèvera ici, à titre de curiosité, que ces actions ont conduit à alléger les structures en substituant à des matériaux métalliques des matériaux composites dont une matière première est précisément le pétrole. Bien entendu, c'est le bilan économique positif qui justifie une opération qui pourrait paraître, à première vue, paradoxale. On peut noter que certaines tentatives ont été amorcées pour s'affranchir radicalement du pétrole. L'idée était de substituer au kérosène l'hydrogène liquide que ses propriétés thermodynamiques rendent attrayant. L'utilisation de
l'hydrogène liquide que ses propriétés thermodynamiques rendent attrayant. L'utilisation de l'hydrogène liquide comme carburant d'aviation exigerait un effort technologique considérable. Pour ne citer que deux problèmes, la faible densité de l'hydrogène conduirait à bouleverser l'architecture des aéronefs afin de les doter de réservoirs de taille convenable, le caractère cryogénique de l'hydrogène liquide poserait des problèmes difficiles d'isolation, de manipulation du carburant, de tenue des matériaux, etc. Finalement, l'énormité de l'entreprise et l'incrédulité croissante quant à l'imminence de l'épuisement des réserves de pétrole ont conduit à ne donner pour l'instant aucune suite à ces projets. 3. LES SUBSTITUTIONS DE MATERIAUX INDUITES
suite à ces projets. 3. LES SUBSTITUTIONS DE MATERIAUX INDUITES PAR LE PROGRÈS TECHNIQUE 3.1. Quittons maintenant les considérations précédentes et leurs prolongements géopolitiques pour revenir au travail quotidien des ingénieurs responsables du choix des matériaux constitutifs de tel ou tel véhicule aérospatial. Le problème du choix se formule aisément tant qu'on en reste à un certain niveau de généralité : en se fixant les fonctions que doit assurer une pièce (tenue à certains efforts dans des conditions d'environnement données), au choix d'un matériau susceptible de satisfaire aux exigences techniques, correspond un certain coût et il convient donc de choisir
correspond un certain coût et il convient donc de choisir le matériau conduisant au coût minimum. On peut pousser plus loin l'analyse et décomposer ce coût en ses divers éléments constitutifs. C'est ce que résume l'équation ci-dessous : coût = coût des matériaux constituant la pièce + coût de conception de la pièce + coût de production + coût du contrôle / durée de vie + coût de fonctionnement + coût d'entretien. Ce coût s'exprime en francs par unité de temps. On notera qu'implicitement, on a supposé que la clientèle de l'industrie aérospatiale adoptait une attitude économique rationnelle et basait
de l'industrie aérospatiale adoptait une attitude économique rationnelle et basait ses choix sur le coût à consentir pour voir assurée pendant un temps donné une certaine fonction. C'est du reste généralement le cas, le comportement du consommateur ordinaire qui ne fonde son choix que sur le coût d'acquisition étant beaucoup plus rare sur le marché aérospatial. Si on admet donc — au moins schématiquement — que c'est l'équation précédente qui permet de sélectionner les matériaux les mieux adaptés, on voit que tout progrès modifiant un des termes de l'équation peut conduire à substituer un matériau à un autre. On va
conduire à substituer un matériau à un autre. On va donc examiner plus en détail les conséquences de cette approche ; toutefois, on va au préalable illustrer l'exposé par une brève description des conditions générales de l'environnement des structures aérospatiales et par un recensement sommaire des principaux matériaux utilisés par l'industrie aérospatiale. Les principaux produits de l'industrie aérospatiale sont les aéronefs (avions et hélicoptères), les engins tactiques (antichars, mer-mer, etc.), les engins balistiques stratégiques et les satellites avec leurs lanceurs. Il s'agit là donc d'un ensemble d'une grande diversité qui rassemble des produits n'ayant rien d'autre en commun que leurs
rassemble des produits n'ayant rien d'autre en commun que leurs capacités à être utilisés sans point d'appui matériel. Pour ne citer que deux caractéristiques de leurs fonctionnements — l'altitude et la vitesse —, on notera que les engins antichars évoluent à quelques mètres au-dessus du sol, alors que les satellites opèrent à 36 000 km de la Terre. De même, c'est à une vitesse de plusieurs milliers de mètres par seconde qu'une tête balistique rentre dans l'atmosphère, alors qu'un hélicoptère peut survoler un point du globe à vitesse nulle. Afin d'illustrer cette diversité de conditions, on a rassemblé dans le
d'illustrer cette diversité de conditions, on a rassemblé dans le tableau I, pour chaque type de véhicules, les principaux paramètres caractérisant leur environnement. Sans entrer dans un commentaire détaillé de ce tableau, il est bon de souligner qu'aéronefs et missiles diffèrent profondément par leurs durées d'exploitation respectives : plusieurs milliers d'heures dans un cas contre moins d'une heure dans l'autre. Il en résulte, pour les matériaux constitutifs de leurs structures, que les phénomènes de fatigue et de tenue à de nombreux cycles d'efforts alternés joueront un rôle prépondérant pour les aéronefs et seront sans grande importance pour les engins. On
aéronefs et seront sans grande importance pour les engins. On peut estimer que les satellites occupent une position intermédiaire à cet égard : destinés à fonctionner sans entretien pendant des années, ils ne sont soumis qu'à de faibles sollicitations mécaniques. En revanche, ils subissent des cycles thermiques répétés, de grande amplitude. Pour les cellules et voilures d'aéronefs, comme pour les structures d'engins, les principaux matériaux utilisés sont : — les alliages légers d'aluminium ; — les aciers à haute résistance ; — le titane ; — les matériaux composites associant à une résine organique des fibres de verre, de carbone
à une résine organique des fibres de verre, de carbone ou de kevlar. Le tableau II donne quelques valeurs caractéristiques de la tenue mécanique et du coût de quelques-uns de ces matériaux. Bien entendu, les éléments économiques figurant dans les deux dernières colonnes ne sont donnés qu'à titre indicatif et, comme on l'a montré au paragraphe 3.1., ne sont pas les seuls paramètres déterminant l'intérêt technique et économique de ces matériaux. De fait nous allons maintenant examiner — sommairement — les positions respectives de ces matériaux à la lumière des critères exposés au paragraphe 3.1. Reprenons donc la décomposition du
critères exposés au paragraphe 3.1. Reprenons donc la décomposition du coût donnée au paragraphe 3.1. et examinons chacun des termes. a) Les matériaux métalliques jouissent d'un net avantage si on considère le coût au kilogramme de chacun des matériaux (cf. tableau II). Il ne semble pas qu'ils puissent prochainement être sérieusement concurrencés par les composites. On notera cependant le cas particulier du titane dont les propriétés mécaniques sont excellentes, mais dont le prix élevé limite considérablement l'emploi. Du reste le titane pose également des problèmes du type de ceux qui ont fait l'objet du paragraphe 2. TABLEAU II Propriétés physiques
ont fait l'objet du paragraphe 2. TABLEAU II Propriétés physiques et coût de la matière nécessaire à la fonction de résistance (1) (2) (3) (3) x (2) FxS2,10_, Résistance Masse (2) Prix (1) kg x m2 statique spécifique Résistance Coût de la mat. MPa kg/dm3 spécifique F/kg nécessaire à la fonct. m2/S2 de résist. Alliage léger 2024 420 2,77 150 000 25 1,65 Titane TA6V 1000 4,50 220 000 400 18,20 Acier ordinaire 1 100 7,80 140 000 10 0,70 Acier de haute résistance 1 800 7,80 230 000 30 1,30 Composite unidirectionnel fibres de carbone/époxy 1 400 1,56 900
1,30 Composite unidirectionnel fibres de carbone/époxy 1 400 1,56 900 000 900 10,00 Composite isotrope fibres de carbone/époxy 400 1,56 260 000 900 34,60 Composite unidirectionnel fibres de verre/époxy 1400 1,90 750 000 200 2,66 Composite unidirectionnel kevlar/époxy 1450 1,37 1 050 000 600 5,70 TABLEAU III Exemples d'emploi des matériaux dans la structure des véhicules aériens et spatiaux Avions Hélicoptères Engins tactiques Engins balistiques Satellites — Aménagements — Longerons de pales — Tubes de lancement — Propulseurs bobinés Fibres de verre commerciaux principales — Moyeux, carénages — Surfaces mobiles : — Revêtements de pales — Nouvelle version de —
: — Revêtements de pales — Nouvelle version de — Jupes inter-étages — Structures — Gouvernes, aérofreins Structure empennages tubes de lancement p. Fibres de carbone — Fenestron sous-marin surface en « panneaux ou solaires » — Aménagements — Association au carbone — Versions futures — Propulseurs bobinés de commerciaux dans structure de parade tubes de lancement Fibres kevlar — de l'AR. sol-sol servo Cdes Alliages d'aluminium — Ensemble de cellule — Structure de la cellule — Pièces d'équipement Pièces d'équipement — Structures de propulseur — Trains d'atterrissage — Pièces mécaniques — Corps de fusées — Propulseurs d'étages Acier —
mécaniques — Corps de fusées — Propulseurs d'étages Acier — Pièces mécaniques — Moteurs inférieures — Moteurs — Eléments mécaniques — Ailettes de réacteurs — Certains éléments — Entrées d'air — Réservoirs Titane — Structures de fixation des moteurs de turbo-réacteurs sous-pression soumises à la chaleur — Nid d'abeilles en papier « Nomex » pour — Composites amiante — Composites silice — Diverses structures sandwiches — Phénol pour protection phénol et carbone therm. des chambres — Carbone pour corps de combustion de rentrée b) Si on se reporte maintenant aux coûts de conception, la situation est variable d'une pièce à
coûts de conception, la situation est variable d'une pièce à l'autre. Pour certains éléments, on ne discerne pas de différences notables entre la solution métallique et la solution composite. Pour d'autres pièces, les connaissances que l'on a des matériaux composites sont encore trop limitées pour que ceux-ci conduisent à des solutions simples, ou même simplement acceptables. En particulier les techniques d'assemblage des composites sont encore trop peu développées pour que l'on puisse utiliser commodément ces matériaux dans les cas un peu complexes. Si on cherche une évaluation d'ensemble, on peut estimer que l'avantage reste aux matériaux métalliques. Mais la situation
estimer que l'avantage reste aux matériaux métalliques. Mais la situation évolue en fonction des progrès que l'on fait dans la connaissance des composites et de leurs possibilités d'emploi. c) La situation est assez analogue en ce qui concerne les coûts de production avec un certain avantage pour les composites du fait que leur mise en œuvre entraîne généralement moins de chutes que celles qui résultent de l'usinage des métaux. Il est vrai que les pièces dont la fabrication à partir de métaux entraîne beaucoup de chutes sont en général irréalisables en composites. Quand les deux solutions sont techniquement envisageables, on
en composites. Quand les deux solutions sont techniquement envisageables, on peut estimer que les coûts de production sont comparables. d) Lorsque les connaissances des matériaux composites étaient embryonnaires, le coût du contrôle des pièces en composites était supérieur à celui des pièces métalliques. Les progrès techniques et l'expérience accumulée réduisent cet écart et on peut penser que l'on tend vers une situation d'équilibre. e) Avec l'examen des durées de vie, on entre dans un domaine généralement favorable aux matériaux composites. Ceux-ci sont souvent réputés par le fait qu'ils associent une bonne résistance mécanique à une grande légèreté (cf. alinéa suivant).
bonne résistance mécanique à une grande légèreté (cf. alinéa suivant). On souligne moins fréquemment une autre propriété remarquable des composites : leur tenue à la fatigue. La figure 1 montre qu'une pièce en composites à fibres de carbone conserve, après avoir été soumise à 10 millions de cycles d'efforts, 90 % de sa résistance initiale, alors que la même pièce en alliage léger a perdu les deux tiers de sa résistance initiale. Les propriétés d'endurance des matériaux composites sont à l'origine du succès de leur utilisation pour réaliser des pales d'hélicoptères : alors que les pales métalliques devaient être contrôlées
d'hélicoptères : alors que les pales métalliques devaient être contrôlées en permanence et fréquemment remplacées, les pales en composite ont une durée de vie pratiquement illimitée. f) Pour tous les produits de l'industrie aérospatiale, le coût de fonctionnement dépend très largement des dépenses d'énergie nécessaires à l'exploitation du produit, dépenses qui sont d'autant plus élevées que le produit est plus lourd. Comme on le constate au tableau II, les matériaux composites présentent à masse donnée des propriétés mécaniques remarquables et offrent donc des possibilités importantes d'allègement des structures. De fait quand la substitution du composite au métal est possible, elle
quand la substitution du composite au métal est possible, elle entraîne généralement un gain de poids de l'ordre de 15 à 30 %. g) Pour ce qui est de l'entretien, on notera certaines propriétés intéressantes des composites qui leur confèrent un certain avantage sur les métaux, comme par exemple la possibilité de réparer sur le champ certains dommages subis par une pièce en composite. 3.5. Que retenir de cette brève discussion ? tout d'abord le choix d'un matériau dépend fondamentalement des fonctions spécifiques attendues de la pièce à réaliser. Dans les conditions présentes cela conduit à choisir tantôt une solution
les conditions présentes cela conduit à choisir tantôt une solution métallique tantôt une solution composite. Le tableau III donne quelques exemples d'utilisation des divers matériaux évoqués ci-dessus. A titre d'exemple la figure 2 représente deux versions du tube central d'un satellite Intelsat : l'une métallique, l'autre en composite à base de fibres de carbone. L'avantage de cette dernière solution est ici très marqué car elle joint, à un allègement notable d'une pièce à placer en orbite autour de la Terre, une simplification et une réduction des coûts de la fabrication. Il est clair que, dans ce cas, l'économie des satellites
Il est clair que, dans ce cas, l'économie des satellites valorise, dans des proportions considérables, les allègements de structure. Pour donner une idée, on rappellera que le coût global de la mise en orbite géostationnaire d'un kilogramme est supérieur à 200 000 F. Le tableau III donne une vue actuelle de la situation, mais dans quel sens a-t-elle évolué et va-t-elle évoluer ? Il n'est pas douteux que les dernières années ont vu croître la place des matériaux composites dans la production aérospatiale, au détriment des métaux. Par exemple, alors que les premiers modèles d'hélicoptères étaient entièrement — ou presque
que les premiers modèles d'hélicoptères étaient entièrement — ou presque — métalliques, les métaux ne constituent plus aujourd'hui que les trois quarts de ces machines. Il est très probable qu'à l'avenir les matériaux composites vont encore augmenter d'importance au fur et à mesure que va s'approfondir la connaissance de ces matériaux et s'affirmer la maîtrise des technologies qui leur sont associées. Est-ce à dire que ces matériaux vont conserver à jamais la place qu'ils auront conquise, voire même se substituer majoritairement aux matériaux métalliques ? rien n'est moins sûr et plusieurs facteurs pourraient bien contribuer à arrêter la progression des
plusieurs facteurs pourraient bien contribuer à arrêter la progression des composites à matrices organiques et peut-être inverser la tendance. Tout d'abord, il est clair que les matériaux composites ont déjà supplanté les matériaux métalliques dans les applications convenant le mieux à leurs caractéristiques. Toute nouvelle extension de leur champ d'utilisation exige un effort de recherche et de développement dont l'aboutissement n'est, par nature, pas garanti. Par ailleurs, on ne peut supposer que la technologie des matériaux métalliques restera figée dans son état présent. En fait, on voit s'amorcer deux mouvements de résistance dans ce secteur qui, s'ils réussissent, pourraient bien