Matériaux et structures composites intelligents

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1 Matériaux et structures composites intelligents Gildas L Hostis*, Hervé Drobez *, Cédric Maupoint**, Fabrice Laurent**, Bernard Durand*, Georges Meyer** *Laboratoire de Physique et de Mécanique Textiles, CNRS UMR 7189, ENSISA, 11 rue Alfred Werner, 6893 Mulhouse Cedex, France gildas.lhostis@uha.fr Résumé : **Cetim Cermat, B.P. 2278, F 6868, Mulhouse Cedex, France cm@cetim-cermat.fr Le M3C, matériau composite à comportement contrôlé est depuis quelques années, étudié et développé par le CETIM CERMAT. Le principe de base consiste à rendre une structure composite active sans rajout d actionneurs ou d éléments extérieurs. Pour ce faire, l'activation du matériau est réalisée grâce à une source interne de chaleur crée par effet Joule à l'aide de renforts actifs (fibre ou micro sphère de carbone). L'architecture du matériau, son organisation et le degré d'anisotropie des différents renforts de la structure composite permettent lors de l'élévation de température d'obtenir la déformation souhaitée. La première partie de ce travail présente le M3C et ses principes de fonctionnement. Dans la seconde partie une application est présentée, elle porte sur un volet aérodynamique utilisé pour stabiliser un véhicule à haute vitesse. Nous verrons sur cet exemple qu un choix adapté de constituants permet d obtenir des déformations de l ordre de quinze pour cent. Abstract : In order to control the deformation of a composite structure, an active composite material CBCM has been developed by the CETIM-CERMAT for six years. The CBCM process consists in creating an internal source of heat, and then in exploiting the thermal-expansion properties of the different components submitted to this heat generation. It is made possible, by using an active reinforcement (fibres or micro spheres of carbon) connected to a power supply (Joule effect). The first part of the work presents the CBCM material and its principle. In the second part, a specific applications will be presented. It s an aerodynamic flap used to stabilize a car at high speed. We will see on this example that an adapted choice of components allows to obtain deformations of as about fifteen percent. Mots-clefs : Structures actives, anisotropie thermoélastique, matériaux intelligents 1 Introduction Les matériaux ou structures composites ont trouvé depuis plusieurs années leur place dans de nombreux domaines industriels, le domaine aéronautique étant un élément moteur à leur développement. Cependant la combinaison structures composites matériaux intelligents, bien que présentant un réel potentiel, n a aujourd hui trouvé que très peu d applications. En effet, les performances limitées des matériaux appelés communément intelligents (faibles déplacements et efforts utilisables pour les matériaux piézoélectriques, comportement binaire et perte d efficacité pour les alliages à mémoire de forme), cantonnent leur utilisation au contrôle des vibrations ou au suivi de santé pour les piézoélectriques Donadon et al (22), ou au développement d actionneurs pour les mémoires de forme Psarra et al (21), Zhang et al (2). Notons également que l ajout de ce type de matériau dans une structure composite pose 1

2 des problèmes de cohésion (apparition de sur contrainte, initiation d endommagement). Pour surmonter ces différentes problématiques, le CETIM CERMAT met au point et développe un nouveau type de matériau composite actif, le M3C Drobez et al (2), Drobez et al (26). Son concept initial consiste à transformer la totalité de la structure en une structure active. Ceci est simplement obtenu en combinant une élévation de température avec la propriété d anisotropie du comportement thermomécanique de la structure composite, cette anisotropie devant être organisée afin d obtenir la déformation recherchée. La particularité du M3C repose sur la manière dont est générée la source de chaleur et sur la notion de renfort actif. En effet pour s affranchir de tout problème d adhésion au niveau des interfaces, aucun matériau métallique (feuille ou autre) est utilisé, seuls les constituants classiques sont retenus. Ces renforts actifs sont des renforts carbones (multi-filament, microsphère ) connectés à un générateur de courant, ils deviennent par effet Joule des sources thermiques. Si on complète l ensemble M3C-générateur de courant avec des capteurs (de déplacement, de déformation, de température) et un système de régulation, on crée une boucle de régulation qui transforme le M3C en un matériau intelligent et programmable. Pour illustrer les performances des M3C et montrer que l organisation et le choix des renforts peuvent conduire à des comportements très différents, on présente dans la première partie de ce travail, deux conceptions type de M3C. On verra que ce principe peut être généralisé à un grand nombre de structure composite, que le M3C à son propre domaine d application et que ses performances sont intimement liées à son architecture. Dans la seconde partie on s intéresse au développement d un volet aérodynamique, les différentes étapes de conception seront présentées 2 Présentation et performances du M3C Les deux conceptions type de M3C sont, une plaque stratifiée mince (*1*1,6 mm) de constitution dissymétrique (2 tissus de verre/ca/4 mats de verre), où l on note CA la couche de carbone active et une plaque sandwich (*1*6,7 mm) de constitution symétrique (2 mats de verre/1 tissu de verre/c/m/ca/1 tissu de verre/2 mats de verre), où l on note C une couche de carbone non active et M une mousse PVC. La résine utilisée pour les deux plaques est une Synolite Le déplacement au centre des deux plaques est représenté (fig. 1) en fonction de la température pour la plaque mince (température constante dans l épaisseur) et en fonction du gradient de température dans l épaisseur pour la plaque sandwich (T 1 et T 2 étant les températures respectives de la face supérieure et inférieure et e l épaisseur). Les principales observations sont une linéarité du comportement en fonction de la température pour la plaque mince (effet température) et en fonction du gradient pour la plaque sandwich (effet gradient), pour celle-ci on observe une stabilisation du déplacement dès que le gradient de température est installé. Pour la plaque sandwich, la différence de constitution provient de l âme en mousse et pour des raisons de symétrie d une couche de carbone de faible fraction volumique (τ f =,2). Les puissances électriques fournies aux deux plaques sont de 7 W pour la plaque mince et 4 W pour le sandwich, les valeurs de la flèche maximale sont respectivement, (f Max = 1 mm) atteinte en 42 secondes et (f Max =3,7 mm) atteinte en 19 secondes. Ces résultats mettent en évidence l effet de l âme en mousse, d un point de vue structure elle rigidifie la plaque, d un point de vue thermique, couplée à la couche active, elle introduit dans cette plaque symétrique un gradient de température. La stabilisation de la flèche est plus rapide car elle est liée à la stabilisation du gradient de température et non pas à celle de la valeur de la température. 2

3 flèche plaque mince en mm plaque mince plaque sandwich 4 (T 1 -T 2 )/e 3, 3 2, 2 1, 1, T C flèche plaque sandwich en mm Figure 1: Effet température et gradient On voit sur ces deux structures type que l adjonction d une mousse a bien évidemment une influence sur le comportement mécanique de la structure mais permet d obtenir un comportement thermomécanique non pas dépendant de la température mais du gradient de température. On trouvera une comparaison des performances de ces M3C par rapport à des actionneurs piézoélectriques et à mémoire de forme, Drobez et al (26). Il est cependant important de noter que ces comparaisons sont délicates car pour le M3C, on parle de performances de structure entière, alors que pour les autres matériaux les performances sont celles de l actionneur seul et non pas intégré dans la structure. Toutefois à cause de son temps de réponse, le M3C est très proche des matériaux à mémoire de forme, mais sans être limité par un comportement binaire et par une perte d efficacité Drobez et al (26). 3 Structures actives, application du M3C L utilisation d un M3C pour le développement de structures composites nous a conduit à envisager différentes applications. L exemple de référence reste la modification de la géométrie d un profil d aile NACA en vue de modifier son comportement aérodynamique Drobez (26). Pour cette présentation, nous allons considérer le cas d un volet aérodynamique rétractable. Ce dernier est utilisé sur une voiture de prestige afin de stabiliser le véhicule à haute vitesse (supérieure à 4 km/h). Le volet existant est un thermoplastique carbone, et est actionné par un vérin. L ouverture et la fermeture de ce volet se fait à l arrêt lors des différents réglages nécessaires à l utilisation du véhicule à haute vitesse. L objectif recherché consiste à supprimer l ensemble des éléments de liaison et éléments actifs (vérin) pour les remplacer par une unique structure M3C active. La modification de ce volet en M3C nous a conduit à la solution suivante. Le volet en position non actif est en position ouverte. Le retour du volet en position fermé se fait à l aide du M3C (effet température), le volet est ensuite verrouillé en position fermé (effet M3C désactivé). Après refroidissement ce dernier se retrouve ainsi sous contrainte. Ce choix a été dicté par les 3

4 difficultés rencontrées pour estimer les températures de fonctionnement. La procédure de conception est la suivante : prédimensionnement à l aide d outils de calculs simplifiés, pour définir le type et la nature des renforts et quantifier les paramètres de fonctionnement (puissances mise en jeu), puis calcul de validation de la structure complète (Abaqus). Pour cet exemple le calcul est réalisé en instationnaire avec des éléments de coque thermoélastique (interpolation quadratique, 3 points d intégration par couche), l effet de la couche active est pris en compte par une source de chaleur interne pilotée par un sous programme utilisateur. Un premier prototype de géométrie simple a été réalisé (fig 2-a). Il est constitué de deux parties, une active (16*1*3,8 mm) et une non active (8*1*3,8 mm). Leurs compositions sont identiques (un tissu d aramide/1ud de verre/1ud carbone/2 UD de verre), pour la partie active, la couche active est disposée entre le tissu d aramide et l unidirectionnel de verre, l unidirectionnel de carbone est utilisé pour homogénéiser la température. La résine utilisée est une époxy (Epolan 2-2) dont la température de transition vitreuse est de (T g =13 C) Le volet est encastré libre, la flèche est mesurée à 2 mm de l extrémité libre. La puissance électrique nécessaire pour atteindre la flèche (F Max =2mm) est de 34 W. Partie active H Partie non active (a) Figure 2: (a) prototype d essai, (b) prototype final (b) Les courbes expérimentales relatives à un cycle standard (chauffe/stabilisation/refroidissement) sont confrontées à celles issues de la modélisation (fig. 3). Pour ce calcul les conditions aux limites thermiques sont de type convection libre, les coefficients d échange sont calculés pour chacune des surfaces. On notera une bonne concordance des résultats sur les valeurs maximales du déplacement (depl_exp, depl_abaqus) et de la température (temp_exp, temp_abaqus) de la partie active (la mesure de la température se fait localement à l aide d un thermocouple). Par contre la réponse du modèle par rapport au temps est plus rapide dans la partie chauffe et dans la partie refroidissement, que ce soit pour le déplacement ou pour la température. Cette différence n est pas encore expliquée, elle peut provenir de la détermination des propriétés des couches, notamment la conductivité thermique et la chaleur spécifique. En effet pour les éléments de coque composite thermoélastique, les propriétés thermomécaniques de chacune des couches sont déterminées par homogénéisation successive Drobez (26). Un prototype reprenant les dimensions réelles du volet a ensuite été réalisé (fig.2-b), la hauteur du volet est (H=27 mm). On représente (fig. 4) la température de la partie active (T max =12 C) ainsi que de la partie non active (T max =31 C) ainsi que la flèche (F Max =39 mm) mesurée à 2 4

5 mm de l extrémité du volet (le débattement du volet obtenu par le vérin est de 4 mm). On notera que cette valeur de flèche correspond à 1 pour cent de la longueur H du volet, pour ce résultat la puissance fournie est de 18 W. 12 T C F max (mm) temp_exp temp_abaqus depl_exp depl_abaqus 1 2 t (s) Figure 3: Prototype d essai, température et déplacement, expérimental et numérique 14 T ( C) F (mm) temp_noactiv T 1 temp_activ T1 4 flèche 1 2 temps (s) Figure 4: Prototype final, température et déplacement expérimentaux

6 4 Conclusion L intérêt du M3C repose sur sa simplicité de fonctionnement et sur le fait que ses performances sont liées à un aspect structurel. Chaque conception de M3C est donc différente et peut être adaptée à une fonction technologique donnée. A cette fin, on peut utiliser de manière séparée ou couplée les deux effets, effet température ou gradient. On aura noté que l effet température fait appel à une structure composite dissymétrique et nécessite donc des adaptations spéciales, l effet gradient pour sa part peut être obtenu pour tous types de structure composite à condition de pouvoir générer un gradient de température dans l épaisseur. L exemple du volet aérodynamique illustre bien le principe de structure active. La transformation du volet en un volet M3C actif a permis de supprimer un certain nombre de pièce de liaison et d actionneur (vérin). On voit ici que le M3C permet de passer de l ensemble technologique classique (pièce inactive/liaison/actionneur) à une unique structure active. Ceci est réalisable sous la condition de laisser dans cette structure suffisamment de degrés de mobilité afin de permettre l activation de l effet M3C, c'est-à-dire la dilatation des différentes couches. Références M.V. Donadon, S.F.M. Almeida, A.R. de Faria, 22, Stiffening effects on the natural frequencies of laminated plates with piezoelectric actuators, Composite part B, 33, pp G.C. Psarra, J. Parthenios,C. Galiotis, 21, Adaptative composites incororating shape memory alloy wires, Journal of Material Science, 36, pp C.S. Zhang,Q.Q. Ni, 2, Bending behaviour of shape memory polymer based laminates, Composites structures. H. Drobez., G. L Hostis, F. Laurent, B. Durand, G. Meyer, 2, Matériau Composite Thermoélastique à Comportement Contrôlé (M3C) avec une Couche Active Semi- Conductrice, Comptes rendus des 14 èmes Journées Nationales sur les Composites, Compiègne, France, mars 2. H. Drobez, G. L Hostis, F. Laurent, B. Durand, G. Meyer, 26, Controlled Behavior of Composite Material (CBCM) with a conductive active layer, JEC Composites Magazine, 22, pp H. Drobez, 26, Matériaux composite à comportement contrôlé, Thèse de doctorat de l université de Haute Alsace. H. Drobez., G. L Hostis, C. Maupoint, F. Laurent,, B. Durand, G. Meyer, 26, Développement de structures composites intelligentes, Matériaux 26, Dijon, France, Novembre 26. H. Drobez., G. L Hostis, F. Laurent, B. Durand, G. Meyer, 26, Thermal ageing of an active composite material with an internal source of heat, 12 th European Conference of Composite Materials, Biarritz, France, 28 August -2 september 26. 6