Des structures aéronautiques optimisées grâce à des matériaux à base de graphène
Il est essentiel de réduire la consommation de carburant et les émissions de CO2 des aéronefs pour garantir une efficacité accrue et respecter la loi européenne sur le climat(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et atteindre la neutralité carbone à l’horizon 2050. Traditionnellement, la production des aéronefs implique de concevoir des composants fonctionnels de manière séparée, puis de les intégrer au sein de la structure. L’idéal consisterait toutefois à adopter une approche de fabrication intégrative avancée faisant intervenir des pièces moins nombreuses mais plus complexes, dotées de fonctions multiples. Cette stratégie permettrait d’améliorer l’efficacité aérodynamique et de réduire le poids des avions. Le projet GRAPHICING(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), coordonné par le Centre for Electrochemistry and Surface Technology – CEST GmbH(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), en Autriche, a permis de réaliser des avancées significatives dans la quête visant à réduire le poids des avions. Voici en quoi consiste leur innovation: des matériaux légers fonctionnels avancés basés sur des matériaux apparentés au graphène (GRM pour «graphene-related materials»).
La production rentable de graphène: une solution d’avenir
Minéral très répandu, le graphite est un allotrope stable du carbone fréquemment utilisé dans l’industrie aéronautique. Le graphène, une feuille de carbone unique de graphite, est l’un des matériaux les plus résistants jamais testés. Il est également avantageux en raison de sa conductivité élevée, de sa faible densité et de sa grande surface. L’utilisation de matériaux à base de graphène se heurte toutefois à son coût de production élevé. Le projet GRAPHICING a mis au point un procédé électrochimique innovant et rentable permettant de produire efficacement de grandes quantités de paillettes d’oxyde de graphène, pour environ 500 euros/kg à l’échelle du laboratoire. Ces paillettes sont ensuite adaptées à diverses fonctions, telles que le dégivrage et l’ignifugation, puis intégrées dans une matrice composite polymère.
Une fabrication écologique de matériaux à base de graphène
Dans le cadre d’une collaboration avec le programme visant à promouvoir des transports intelligents, verts et intégrés, il était prioritaire d’avoir recours à une fabrication respectueuse de l’environnement pour les chercheurs du projet GRAPHICING. Tout d’abord, la production électrochimique de l’oxyde de graphène fait appel à deux produits chimiques non toxiques combinés avec l’électricité. Jürgen Schodl, coordinateur du projet et chercheur principal au CEST, déclare: «Par ailleurs, les matériaux à base de graphène peuvent être introduits dans la matrice polymère par des procédés purement mécaniques, et les matériaux composites produits par des procédés de laminage adaptés, sans utiliser le moindre solvant nocif pour l’environnement.» La mise en œuvre de la chimie verte des GRM dans la matrice polymère a posé quelques problèmes. Par exemple, les méthodes mécaniques et assistées par solvant n’ont pas permis d’obtenir une conductivité suffisante pour les fonctionnalités ciblées. Les chercheurs de GRAPHICING ont toutefois surmonté ce problème en optant pour le revêtement par pulvérisation.
Une structure composite multifonctionnelle pour l’aéronautique
Jürgen Schodl précise: «Parmi les résultats les plus importants de ce projet, il y a d’abord le fait qu’il soit possible d’obtenir quatre fonctionnalités ciblées de dégivrage, de protection contre la foudre, de barrière d’absorption de l’eau et d’inhibition des flammes grâce aux matériaux à base de graphène. De plus, on y parvient grâce à un processus de fabrication électrochimique rentable et respectueux de l’environnement, suivi d’une modification chimique.» Ces résultats ont été obtenus en améliorant des technologies de pointe, concernant notamment diverses pièces ainsi que des matériaux non-polymères associés à des polymères contenant du graphite. Dans les deux cas, les propriétés mécaniques requises, par exemple pour la prévention du givrage en vol, peuvent s’en trouver amoindries. GRAPHICING a surmonté les limites actuelles en incorporant des matériaux à base de graphène dans une structure composite fonctionnelle. La matrice polymère intégrée qui en résulte est plus légère et plus efficace que les meilleurs matériaux actuels. Les chercheurs du projet ont procédé à la démonstration des quatre fonctionnalités ciblées à l’aide de prototypes à petite échelle. Un avenir basé sur le graphène passera par plusieurs étapes, notamment des prototypes à plus grande échelle et la mise en œuvre de technologies de production de composites. Les chercheurs améliorent également les matériaux à base de graphène et le processus de production. Grâce à leur faible poids et à leur production respectueuse de l’environnement, les structures à base de graphène revêtent une importance essentielle pour des transports aéronautiques durables.
