Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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74 Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie Liner thermoplastique, équipé de ses inserts métalliques de raccordements, obtenu en une étape, par rotomoulage réactif. Le volume interne avoisine les 34 litres et le matériau constitutif est en polyamide -6. Architecture composite typique d’un réservoir d’hydrogène réalisé par enroulement filamentaire. Cette technologie permet la dépose de couches successives de fibres de carbones imprégnées de résine, avec des angles variables définis pour un comportement thermomécanique optimal de la structure. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 coopération avec des partenaires industriels et académiques, des matériaux et des procédés innovants destinés à répondre aux spécifications du stockage de l’hydrogène. En particulier, le CEA poursuit le développement du procédé dit de « rotomoulage réactif » consistant à synthétiser in situ, et à mettre en forme, des polymères thermoplastiques ainsi que des réseaux thermodurcissables (6) en une seule étape et à basse température. Ce procédé s’avère particulièrement adapté à la réalisation de corps creux de grande dimension (> 10 m 3). Parmi les matériaux développés, le polyamide a déjà fait l’objet d’une (6) Les polymères thermoplastiques sont fusibles, ils fondent quand on les chauffe à une température supérieure à leur température de fusion) alors que les polymères thermodurcissables sont des réseaux 3D, infusibles et insolubles. P.Stroppa/CEA P.Stroppa/CEA licence d’exploitation industrielle et le polyuréthane se trouve en cours d’évaluation dans le cadre d’un projet soutenu par Oseo. Son industrialisation attend la confirmation de ses performances.• Pour la coque composite, c’est-à-dire la partie bobinée en composite à l’extérieur du liner, il s’agit d’assurer la résistance aussi bien à la pression interne qu’aux agressions extérieures (chocs, agents chimi - ques...). Aussi, la réalise-t-on à partir de fibres de renfort continues, imprégnées d’une colle organique, selon le procédé d’enroulement filamentaire. Le liner polymère sert de mandrin sur lequel la fibre imprégnée de résine (par exemple, époxyde) sera déposée selon un angle prédéfini par les calculs de dimensionnement. Vues les sollicitations en service, l’objectif consiste à optimiser la structure obtenue pour minimiser la quantité de matière employée et par là, améliorer le coût, le volume et la masse. Le plus souvent, le résultat aboutit à une structure dite « multiangle » car formée d’un empilement de plis successifs avec des angles variables d’un pli à l’autre. Pour atteindre les performances attendues, la coque doit encore subir une polymérisation, en rotation, dans une enceinte thermique.• L’enroulement filamentaire présente l’avantage de conduire à des architectures composites dotées d’une double qualité : un taux volumique en fibres de renfort élevé (65% classiquement) et des structures de haute performance spécifique (rapport performance/masse) compatibles avec de très hautes pressions. Les fibres continues utilisées appartiennent principalement à la catégorie des fibres à haute résistance. Dans ce contexte, si la fibre de carbone reste incontournable pour des applications embarquées en raison de la Élaboration de la structure composite, par enroulement filamentaire, à partir de fibres continues de carbone. Empilement des couches circonférentielles et hélicoïdales conduisant à la réalisation de la coque composite structurante des réservoirs. P.Stroppa/CEA P.Stroppa/CEA
Développement d’une technologie d’instrumentation des réservoirs par intégration de fibres optiques au cœur de la structuration composite pendant la fabrication. Ces travaux visent à mieux évaluer les sollicitations auxquelles sont soumises les architectures multicouches composites pour, à terme, permettre leur optimisation et une éventuelle surveillance de ces structures en conditions de service. densité du volume de stockage, les fibres de verre ou de basalte offrent de bons potentiels pour les applications moins contraignantes comme le stockage stationnaire. Néanmoins, compte tenu de la masse de fibres et de leur coût, ce choix paraît particulièrement critique au regard des applications. En effet, si ces matériaux s’avèrent particulièrement avantageux, il faut néanmoins, gérer, au plus juste, la quantité de fibres utilisées pour réaliser la coque composite, afin de ne pas aboutir à un coût prohibitif au regard de l’application ou du marché. Ainsi, en pratique, pour des applications embarquées de 70 MPa, le coût de la fibre de renfort peut représenter 50 à 75% du coût final du dispositif. Parallèlement au choix du couple fibre/matrice pour l’application visée, les étapes numériques de conception et de dimensionnement s’avèrent également déterminantes pour la réalisation de réservoirs sûrs, durables et compétitifs.• Pour alimenter les codes de calculs, valider le comportement des structures ou encore assurer la surveillance de l’intégrité du réservoir en service, les chercheurs étudient la possibilité d’insérer des capteurs en fibre optique directement dans l’épaisseur de la structure composite. Y parvenir permettrait de déceler les premiers signes d’endom magement du réservoir à l’échelle microscopique. Autant d’informations indispensables pour travailler à l’optimisation des coques réalisées dans les phases de conception, pour évaluer la sensibilité et le comportement du composite lors de sollicitations spécifiques, ou encore, pour adapter la périodicité de contrôle ou la durée de vie de ces objets en exploitation. Deux équipes du CEA y travaillent : celle du Département matériaux située sur le centre d’étude du Ripault et celle du Laboratoire d’intégration des systèmes et des technologies (List) au centre de Saclay. Enjeux et perspectives Actuellement, les performances de ces réservoirs ont atteint les niveaux déjà compatibles avec certaines applications émergentes. Les chercheurs du CEA P.Stroppa/CEA poursuivent le développement de nouveaux matériaux et procédés pour optimiser le compromis performance/coût, accroître la compatibilité technicoéco nomique de ces systèmes et, ainsi, accélérer leur déploiement industriel. Ils travaillent également sur l’instrumentation et la modélisation du comportement des réservoirs selon les sollicitations auxquelles ils seraient soumis en service – l’objectif étant d’améliorer les architectures composites et de minimiser les quantités de fibres utilisées. Par ailleurs, le CEA s’engage dans plusieurs projets européens, notamment en recherche prénormative (Comité de normalisation), et contribue ainsi à faire évoluer la réglementation existante sur la conception et la qualification/requalification des réservoirs composites à haute pression. La sûreté des réservoirs comprimés figure également comme un enjeu primordial. Il s’agit de démontrer la maîtrise de leur comportement sur le long terme aussi bien en conditions normales de service qu’en conditions accidentelles. Le taux d’introduction des matériaux composites dans les applications courantes ou industrielles ne cesse de croître (pièces d’avion pour l’aéronautique, bouteilles de propane/butane ou accessoires sportifs pour les particuliers). Il faut dire que ces matériaux composites permettent, bien souvent, de combiner des propriétés originales et anisotropes, tout en conservant une masse très attractive. Aujourd’hui, la marge de progression des matériaux composites reste encore très importante en matière de stockage de l’hydrogène. Dans l’avenir, ces matériaux devraient permettre d’intégrer de nouvelles fonctions et d’apporter de nouvelles solutions pour le stockage d’autres gaz industriels et médicaux tout en améliorant significativement la compacité et la transportabilité des systèmes. > Fabien Nony Département des matériaux Direction des applications militaires CEA Centre du Ripault contrainte maximale selon l’axe principal (moyenne : 75%) + 1,961 10 3 + 1,790 10 3 + 1,619 10 3 + 1,448 10 3 + 1,277 10 3 + 1,107 10 3 + 9,358 10 2 + 7,649 10 2 + 5,941 10 2 + 4,233 10 2 + 2,524 10 2 + 8,159 10 1 - 8,925 10 1 Modélisation de la contrainte maximum dans la structure d’un réservoir pressurisé à 2,25 fois sa pression de service (unités MPa). CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 75



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