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Candidat au doctorat
Projet: Développement de méthodologies robustes de réparation structurelle par collage sur des composants aérospatiaux en panneaux sandwichs composites thermodurcissables
jingcai.zhou [at] mail.mcgill.ca (Mail)
Superviseur: Prof. Pascal Hubert
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Au cours des dernières décennies, les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) ont progressivement remplacé des métaux comme l’aluminium et le titane dans les structures d’aéronefs, en raison de leur excellent rapport résistance/poids et de leur efficacité énergétique. Cependant, les PRFC sont sensibles à divers types de dommages pouvant affaiblir le matériau et compromettre l’intégrité structurelle. Lorsque les dommages ne sont pas trop importants, des réparations permettent de restaurer la résistance et la durabilité.
Parmi les méthodes de réparation modernes, les réparations en biseau (« scarf repairs ») sont privilégiées en raison de leurs performances élevées et de leurs limitations réduites. L’imprégnation manuelle (« wet layup ») est couramment utilisée pour coller le patch de réparation, car elle fonctionne à température ambiante, offre un durcissement rapide et s’adapte facilement aux formes complexes. Bien que cette méthode soit efficace pour les sections composites épaisses, elle nécessite une mise en œuvre précise et des techniciens qualifiés. Des paramètres clés tels que les conditions de durcissement, les méthodes de collage, la préparation de surface et la fabrication du patch doivent être rigoureusement étudiés afin d’éviter les erreurs et de garantir une réparation réussie.
L’objectif du projet est d’améliorer la robustesse du processus de réparation, en se concentrant sur le traitement des patchs et les techniques de collage de surface. Cela sera réalisé en étudiant et en minimisant les sources de variabilité affectant la qualité et les performances des réparations, que ce soit en production ou en conditions de réparation en service, comme illustré dans la figure 1.
La procédure générale de réparation dans l’industrie aérospatiale commence par l’évaluation des dommages et se termine par l’assurance qualité finale, comme illustré à la figure 2. Dans ce projet, le composant aéronautique réparé présente à la fois des dommages au niveau de l’âme et de la peau. La réparation consiste à remplacer l’âme en nid d’abeilles endommagée dans la structure sandwich et à restaurer la peau par imprégnation manuelle (« wet layup ») à l’aide d’une couverture chauffante, comme montré à la figure 3. Finalement, la qualité de la réparation peut être évaluée à l’aide de méthodes d’essais non destructifs (thermographie, radiographie, etc.) et d’essais destructifs (comme la ténacité à la rupture, les essais de traction, etc.).
Pour minimiser la variabilité des conditions de traitement, l’influence de divers paramètres de procédé a été étudiée lors de la réparation de composites à l’aide de thermocouples, de capteurs de pression et d’un système d’acquisition de données via LabVIEW, comme illustré à la figure 4. Les principaux paramètres de traitement ajustables incluent l’humidité, le niveau de vide, les méthodes d’imprégnation, le cycle de cuisson et les techniques d’ensachage, etc. Une approche par plan d’expériences est utilisée pour analyser l’impact de ces paramètres. La variabilité induite par le processus, telle que les contraintes résiduelles, les gradients thermiques, les retards thermiques et l’absorption d’humidité, est étudiée de manière approfondie. Globalement, la distribution des vides et les essais de traction sont les principales méthodes utilisées pour évaluer la qualité du patch de réparation dans différentes conditions de traitement.
Un ensemble de techniques de préparation de surface est appliqué, notamment la fonctionnalisation chimique, le ponçage, le sablage, la décharge corona, les traitements au laser, à la flamme et au plasma. Pour évaluer la qualité de l’adhésion obtenue avec ces techniques, un microscope électronique à balayage (MEB) est utilisé pour observer la morphologie de surface, un microscope à force atomique (AFM) pour analyser les métriques topographiques, et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) pour quantifier la composition chimique après traitement de surface. La technique du plan d’expériences est également appliquée pour évaluer efficacement les effets de la préparation de surface sur la performance de l’adhésion, car les essais à l’échelle réelle sur des structures collées sont peu pratiques.
Figure.1 Vue d’ensemble du processus de réparation par patch en biseau – Principaux défis et défauts de traitement
Figure.2 Échelle de laboratoire : Vue d'ensemble du processus de réparation aéronautique
Figure.3 Fabrication du patch sur les laminés preimprégnés endommagés à l'aide d'un gabarit expérimental
Figure.4 Surveillance du processus de réparation à l'échelle du laboratoire