Etude des performances mécaniques du PEKK et de ses capacités à résister aux efforts et à l’environnement – IMPEKKABLE

Depuis quelques décennies, la part croissante des composites par rapport aux métaux traditionnellement utilisés dans les structures aéronautiques a permis des gains de poids conséquents, autorisant notamment une diminution de la consommation en carburant des appareils. Si les matrices thermodurcissables restent largement majoritaires par rapport aux matrices thermoplastiques, l’introduction de ces dernières est maintenant envisagée pour augmenter les performances en température des composites et faciliter leur recyclage.
Le projet ImPEKKable s’inscrit dans la thématique «stimuler le renouveau industriel», dans l’axe «matériaux et procédés» et concerne l’élargissement des domaines d’utilisation de matériaux avancés, tels que les composites à fibres continues de carbone et à matrice thermoplastique. Il adhère à l’objectif des constructeurs aéronautiques d’augmenter le champ d’application des composites à matrice organique à des pièces dites «chaudes» et porte plus particulièrement sur l’utilisation d’une nouvelle génération de composites C/PEKK, pour des applications structurales entre 150°C et 200°C, i.e. à des températures supérieures à la transition vitreuse de la matrice thermoplastique. Le caractère novateur et ambitieux de l’étude réside dans l’élaboration de modèles et d’outils de simulation permettant de prédire le comportement thermo-mécanique de ces composites à ces températures et sur de longues durées conditions pour lesquelles des phénomènes de fluage-recouvrance, de recristallisation et d’évolutions chimiques sont attendus.
La matrice thermoplastique semi-cristalline visée appartient (au même titre que le PEEK) à la famille des polyarylethercétones (PAEK) qui présente de bonnes propriétés en terme de caractéristiques mécaniques, de capacité à supporter des températures élevées en continu, de stabilité dimensionnelle, ou encore de résistance aux agents chimiques. Prometteur, le PEKK est pourtant peu utilisé en tant que matrice pour les composites à usage aéronautique et la littérature portant sur le PEKK reste faible par rapport à celle traitant du comportement du PEEK. L’étude du PEKK et du C/PEKK est donc en soi porteuse de connaissances nouvelles. Un des avantages du PEKK réside également dans le fait qu’il s’agit d’une famille de copolymères. Fonction du ratio des différents constituants introduits en synthèse, il est possible d’ajuster la température de fusion et d’obtenir des cinétiques de cristallisation optimisées afin d’atteindre des performances appropriées à l’application visée.
Dans l’objectif d’une meilleure compréhension des mécanismes couplés de déformation à long terme et de vieillissement des composites C/PEKK pour ces applications, les activités du projet consisteront en l’élaboration de modèles multi-physiques couplés : modèle thermo-mécanique en fluage-recouvrance, couplé avec les évolutions de microstructure et multi-échelles : modèles de comportement et de vieillissement du polymère et de la matrice dans le composite C/PEKK pour des températures supérieures à la température de transition vitreuse. Ces modélisations s’appuieront sur des essais accélérés (par une augmentation de la température, de la concentration en oxygène et de la contrainte de fluage), et des caractérisations de l’évolution de la microstructure du composite C/PEKK. La compréhension des phénomènes et les simulations numériques prédictives du comportement en fluage de stratifiés contribueront à une meilleure prédiction de la durée de vie de ces matériaux en conditions de service.
Pour mener cette étude, ce projet est bâti sur une collaboration entre les laboratoires de recherche Pprime de l’ENSMA, PIMM de l’ENSAM, le fournisseur de polymère ARKEMA et le groupe aéronautique Airbus Group qui de par leurs moyens d’essai, leurs compétences et leurs expériences antérieures, disposent de tous les moyens pour traiter cette thématique nouvelle, et favoriser ainsi la compétitivité française dans le secteur aéronautique.