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European Carbon Fibres and Pre-Impregnated Materials for Space Applications

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Des fibres de carbone et des matériaux préimprégnés fabriqués dans l’UE pour les futurs engins spatiaux

Un projet financé par l’UE a permis de développer des fibres de carbone à module élevé pour les composants de satellites et des fibres de carbone à module intermédiaire pour les lanceurs.

Technologies industrielles
Espace

Les structures composites destinées aux applications spatiales doivent être légères mais solides. Elles doivent également résister aux dommages tout en supportant d’importantes variations de température. Dans ce contexte, les fibres de carbone à module élevé et les composites polymères renforcés par des fibres sont des matériaux essentiels pour les futurs engins spatiaux. «Jusqu’à présent, les composites ont été fournis principalement par des entreprises non européennes. Il est nécessaire de disposer d’un site de fabrication en Europe pour garantir notre non-dépendance vis-à-vis de cette technologie. Comme ces matériaux sont utilisés dans des applications militaires, leur achat auprès de fournisseurs japonais et américains n’est pas nécessairement un processus simple», explique Nuno Rocha, coordinateur du projet SpaceCarbon, financé par l’UE. «Compte tenu de l’importance stratégique de l’industrie spatiale, notamment des satellites, la sécurité d’approvisionnement est importante pour garantir la continuité des programmes spatiaux.»

Maintenir l’Europe à la pointe de la fabrication des composites

Cette observation a façonné les attributions du projet EUCARBON. La première ligne européenne de production d’un matériau précurseur (une fibre à base de polymère servant de matière première pour la production de fibres de carbone) a été installée sur le site de FISIPE près de Lisbonne, au Portugal. La capacité de production répond à la demande prévue de fibres de carbone à module élevé dans les sous-composants des satellites. Ces premières fibres de carbone produites ont atteint un module de traction de 348 GPa et une résistance à la traction de 4 200 MPa. Il s’agissait de la fibre de carbone au module le plus élevé produite en Europe jusqu’alors et d’une étape importante pour établir la capacité de développer et de produire des fibres de carbone dans la gamme des modules élevés. S’appuyant sur le succès d’EUCARBON, SpaceCarbon a continué à améliorer les propriétés des fibres de carbone et le processus de fabrication afin de rendre les produits compétitifs par rapport à ceux provenant de sources non européennes. SpaceCarbon a également étendu la capacité de l’installation pilote à la production de fibres à module intermédiaire pour les structures de lanceurs.

Des démonstrateurs de fibres de carbone à module intermédiaire et élevé

«Nous avons développé deux composants de satellite en utilisant des fibres de carbone à haut module: un réflecteur en sandwich à échelle réelle et un tube structurel. La résistance à la traction de la fibre de carbone visée était comprise entre 4 000 et 5 000 MPa, tandis que le module de traction était compris entre 380 et 400 GPa», explique Nuno Rocha. Le premier démonstrateur de composant pour le lanceur était un vaisseau à échelle réduite fabriqué avec un semi-produit d’étoupe préimprégné. Le deuxième démonstrateur – une jupe (composant structurel reliant le carter du moteur au lanceur) – a été produit avec des semi-produits de type étoupe et ruban unidirectionnel. Les essais ont porté sur la fabrication de fibres à filaments de 50K, 24K et 12K. La résistance à la traction des fibres de carbone produites était comprise entre 5 000 et 6 000 MPa, tandis que le module de traction était compris entre 280 et 320 GPa.

Des formulations de préimprégnés prometteuses

Les activités du projet ont également porté sur le développement de formulations de préimprégnés améliorées pour les composites structurels des futurs vaisseaux spatiaux. Des préimprégnés ont été développés en utilisant des fibres de référence et des fibres européennes produites par un partenaire du projet. Deux procédés de préimprégnation ont été mis en œuvre: l’imprégnation par trempage de la résine, où aucun solvant n’a été utilisé, et l’imprégnation par fusion à chaud, où la résine solide a été chauffée pour imprégner les fibres. Une attention particulière a été accordée aux tests de dégazage de la résine (une exigence critique pour les applications satellites). SpaceCarbon a mis en œuvre des stratégies d’hybridation des matériaux pour améliorer la ténacité et les propriétés conductrices des matériaux préimprégnés et réduire les coûts de production. En outre, des composites hybrides ont été mis au point et fabriqués en remplaçant partiellement les fibres préimprégnées à module élevé par des fibres à module plus faible et moins coûteuses, tout en répondant aux exigences de performance. «Les matériaux nouvellement développés occupent une position concurrentielle sur le marché des fibres et des composites pour les applications spatiales. Le fait qu’ils soient produits en Europe garantit une plus grande disponibilité et des délais de livraison plus courts», conclut Nuno Rocha.

Mots‑clés

SpaceCarbon, fibres de carbone, préimprégnés, composites, satellite, lanceur, engin spatial, Europe, résistance, module

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