Étude sur les propriétés, le mécanisme et l'application des matériaux à faible émission de fumée et sans halogène (LSZH) pour les produits aérospatiaux

Étude sur les propriétés, le mécanisme et l'application de

Matériaux à faible émission de fumée et sans halogène (LSZH) pour les produits aérospatiaux

I. Introduction

1.1 Contexte de la recherche

Avec le développement rapide de la technologie aérospatiale, les exigences en matière de sécurité des matériaux, de respect de l'environnement et de fiabilité dans les vols spatiaux habités, l'exploration de l'espace lointain et l'espace

la construction de gares ne cesse de s'intensifier. Les matériaux ignifuges traditionnels contenant des halogènes ne peuvent plus répondre aux exigences strictes du domaine aérospatial en raison de leurs mauvaises performances environnementales et de leurs produits de combustion hautement toxiques.

Les matériaux à faible émission de fumée et sans halogène (LSZH) sont apparus comme une solution opportune. Leurs principaux avantages sont les suivants : aucun dégagement de gaz halogène pendant la combustion, une génération de fumée extrêmement faible, une faible toxicité, une faible corrosivité, tout en possédant simultanément une excellente résistance au feu, une résistance mécanique et une stabilité environnementale. Ces caractéristiques s'alignent parfaitement avec les exigences de service sûres des produits aérospatiaux, faisant des matériaux LSZH un point chaud de recherche et une direction de développement clé dans le domaine des matériaux aérospatiaux modernes.

1.2 État actuel de la recherche au pays et à l’étranger

Statut de recherche nationale

1.3 Importance de la recherche

• Amélioration de la sécurité des produits aérospatiaux : les matériaux LSZH ne produisent aucun gaz toxique halogène et peu de fumée pendant la combustion, évitant ainsi efficacement l'empoisonnement et l'asphyxie du personnel ainsi que les dommages dus à la corrosion des équipements lors d'incendies, réduisant ainsi les risques des missions spatiales ;
• Répondre aux exigences de service dans des environnements extrêmes : une excellente résistance aux températures élevées et basses, une résistance aux radiations et une résistance au vieillissement s'adaptent aux environnements de service complexes à l'intérieur et à l'extérieur des cabines des engins spatiaux, garantissant un service matériel stable à long terme ;
• Promouvoir la substitution nationale des matériaux aérospatiaux : briser les monopoles technologiques étrangers, parvenir à un contrôle indépendant des matériaux LSZH de haute performance, réduire les coûts de fabrication des équipements aérospatiaux et améliorer la compétitivité de base de l'industrie aérospatiale chinoise ;
• Pratiquer les concepts aérospatiaux verts : les caractéristiques sans halogène, à faible toxicité et respectueuses de l'environnement s'alignent sur les exigences de fabrication verte et de développement durable dans le domaine aérospatial, favorisant un développement de haute qualité de l'industrie aérospatiale.

1.4 Contenu de la recherche

• Définition, classification et caractéristiques principales des matériaux LSZH ;
• Mécanismes ignifuges et de suppression de fumée des matériaux LSZH (phase condensée, phase gazeuse, ignifuge synergique) ;
• Normes de base et exigences en matière d'indicateurs de performance clés pour les matériaux LSZH dans le domaine aérospatial ;
• Scénarios d'application typiques et exigences techniques des matériaux LSZH dans les produits aérospatiaux ;
• Problèmes de goulots d'étranglement et orientations d'optimisation des matériaux LSZH aérospatiaux ;
• Tendances futures de R&D pour les matériaux LSZH aérospatiaux de haute performance.

II. Définition, classification et caractéristiques principales des matériaux LSZH

2.1 Définition

• Sans halogène : la teneur totale en halogène du matériau est ≤ 0,5 % (fraction massique), sans gaz d'halogénure d'hydrogène tels que HCl et HBr libérés lors de la combustion, évitant ainsi la corrosion et l'empoisonnement du personnel et de l'équipement ;
• Faible fumée : la densité de la fumée pendant la combustion du matériau est extrêmement faible, avec une transmission de la lumière ≥60 % (norme CEI 61034-2), réduisant ainsi l'obstruction de la vision par la fumée et améliorant l'efficacité des interventions d'urgence.

2.2 Classement

• Résine matricielle : polyéthylène (PE), copolymère éthylène-acétate de vinyle (EVA), polypropylène (PP) et leurs mélanges ;
• Système ignifuge :  principalement des retardateurs de flamme inorganiques tels que l'hydroxyde d'aluminium (ATH) et l'hydroxyde de magnésium (MH), composés de retardateurs de flamme au phosphore rouge et au phosphore-azote ;
• Caractéristiques principales : faible densité, bonne aptitude au traitement, flexibilité élevée, faible coût, excellente résistance aux intempéries ; résistance à la température à long terme -60°C ~ 125°C, adaptée à l'isolation et au gainage des câbles aérospatiaux, aux composants structurels légers ;
• Produits typiques : composés de câbles LSZH en polyoléfine réticulée pour l'aérospatiale, joints d'étanchéité LSZH à base de EVA.

Matériaux LSZH à base de polyuréthane

• Résine matricielle : polyuréthane thermoplastique (TPU), polyuréthane coulable (CPU) ;
• Système ignifuge : retardateurs de flamme réactifs phosphore-azote, retardateurs de flamme intumescents (IFR);
• Caractéristiques principales : haute élasticité, haute résistance à l'usure, excellente ténacité à basse température, résistance à l'huile et à la corrosion ; résistance à la température à long terme -40 °C ~ 100 °C, adaptée aux composants de rembourrage intérieurs de l'aérospatiale, aux joints, aux canalisations flexibles et aux gaines de câbles ;
• Produits typiques : polyuréthane de rembourrage de siège aérospatial, mastic polyuréthane LSZH.

Matériaux LSZH à base de polyimide

• Résine matricielle : Polyimide (PI), Polyétherimide (PEI) ;
• Système ignifuge :  ignifugation inhérente (la chaîne moléculaire contient une structure rigide en imide), aucun ignifuge supplémentaire requis ;
• Caractéristiques principales : résistance aux températures ultra-élevées (260 °C à long terme, 500 °C à court terme), excellente résistance mécanique, résistance aux radiations, résistance au vieillissement, faible fumée et sans halogène ; adapté aux composants structurels des zones à haute température, à l'encapsulation de composants électroniques et à l'isolation des câbles à haute température des engins spatiaux ;
• Produits typiques : feuilles PI structurelles à haute température pour l'aérospatiale, films polyimide LSZH.

Matériaux LSZH à base d'époxy

• Résine matricielle : résine époxy bisphénol A, résine époxy phénolique ;
• Système ignifuge : retardateurs de flamme au phosphore, retardateurs de flamme à l'azote, mélange de nano-charges inorganiques ;
• Caractéristiques principales : force de liaison élevée, faible retrait de durcissement, résistance à la corrosion chimique, excellentes propriétés ignifuges ; résistance à la température à long terme -50 °C ~ 180 °C, adaptée à l'encapsulation de composants électroniques aérospatiaux, à la matrice composite et à la liaison de composants structurels ;
• Produits typiques : Encapsulation électronique aérospatiale époxy LSZH, composites fibre de carbone/époxy LSZH.

2.3 Caractéristiques principales

Performances ignifuges

Les performances ignifuges sont l'indicateur principal des matériaux LSZH aérospatiaux, exigeant la conformité aux exigences UL94 V-0 , FAR 25.853 de combustion verticale et GJB 1709 ignifuge de classe A, ce qui signifie que les matériaux s'éteignent immédiatement après le retrait de la flamme, sans combustion soutenue ni phénomène d'inflammation par goutte à goutte. Limitation de l'indice d'oxygène (LOI) ≥30 %, avec certains matériaux à haute température nécessitant un LOI ≥35 %, garantissant une combustion difficile dans les espaces clos et inhibant la propagation des flammes.

Performances à faible fumée et à faible toxicité

• Faible fumée : densité de fumée de combustion (transmission de la lumière) ≥60 % (IEC 61034-2), indice de densité de fumée (SDR) ≤50, réduisant l'obstruction de la fumée et les risques de toxicité ;
• Faible toxicité : l'indice de toxicité des gaz de combustion atteint le niveau TB (faible toxicité), sans dégagement de gaz hautement toxiques tels que les halogénures d'hydrogène et le cyanure d'hydrogène, répondant ainsi aux exigences de sécurité des astronautes à l'intérieur des cabines des engins spatiaux.

Propriétés mécaniques

Adaptabilité environnementale

• Résistance aux températures élevées et basses : stabilité à long terme entre -65 °C et 125 °C, avec des matériaux de zone à haute température résistant jusqu'à 260 °C, pas de fissuration fragile à basse température et pas de ramollissement ou de déformation à haute température ;
• Résistance aux rayonnements : résistance au rayonnement de particules de haute énergie (rayons γ, faisceaux d'électrons), avec un taux de rétention des performances mécaniques ≥80 % après rayonnement, sans dégradation, décoloration ou fragilisation ;
• Résistance au vieillissement :  dégradation des performances ≤ 20 % après un vieillissement thermo-oxydant et un vieillissement UV, garantissant ainsi la stabilité et la fiabilité du service en orbite à long terme (15 à 20 ans) ;
• Faible volatilité : taux de perte de masse (TML) ≤ 1 % dans les environnements sous vide poussé, matériaux condensables volatils collectés (CVCM) ≤ 0,1 %, évitant la contamination volatile des instruments de précision.

Traitement et compatibilité

III. Normes de base et exigences de performance pour les matériaux LSZH dans le domaine aérospatial

3.1 Système de normes de base

• GJB 773A-2000 « Spécifications générales pour les câbles aérospatiaux » : Spécifie les exigences ignifuges, à faible dégagement de fumée, sans halogène, de résistance aux températures élevées et basses et aux radiations pour les matériaux d'isolation/de gaine LSZH utilisés dans les câbles aérospatiaux ;
• GJB 1709-1993 « Spécifications générales pour les matériaux ignifuges pour les équipements électroniques militaires » : clarifie l'indice ignifuge (classe A), la densité de fumée, l'indice de toxicité et les indicateurs de performance mécanique pour les matériaux LSZH utilisés dans les équipements électroniques aérospatiaux ;
• GJB 2485-1995 « Méthode de test de dégazage sous vide des matériaux spatiaux » : normalise les méthodes de test volatiles pour les matériaux LSZH sous vide poussé, exigeant un TML ≤ 1 % et un CVCM ≤ 0,1 % ;
• HB 5470-1991 « Méthodes d'essai pour les performances de combustion des matériaux non métalliques d'aviation » : Spécifie les méthodes d'essai de combustion verticale et horizontale pour les matériaux LSZH intérieurs aérospatiaux.

Normes internationales

• SAE AS 22759 « Standard pour les fils isolés pour l'aérospatiale » : la norme américaine de base pour les câbles aérospatiaux, exigeant que les matériaux LSZH satisfassent aux exigences de résistance à la température de -65 °C à 200 °C, d'ignifugation UL94 V-0 et de faible fumée sans halogène.;
• FAR 25.853 « Performances de combustion des matériaux intérieurs d'avions » : une norme internationale obligatoire de l'aviation civile, exigeant que les matériaux intérieurs de l'aérospatiale s'auto-éteignent dans les 12 secondes lors d'essais de combustion verticale, sans combustion ni égouttement soutenu ;
• CEI 60332-3 « Test de combustion de faisceaux de câbles » : norme internationale ignifuge sur les câbles, exigeant que les câbles LSZH aérospatiaux réussissent les tests de combustion de faisceaux de classe A ;
• CEI 61034-2 « Test de densité de fumée de combustion de câble » : Spécifie la méthode de test exigeant une transmission de la lumière de fumée du matériau LSZH ≥ 60 %.

3.2 Exigences relatives aux indicateurs de performance clés

Combinant les normes aérospatiales et les exigences de service, les indicateurs de performance de base des matériaux LSZH sont présentés dans le tableau 1 :

3.3 Exigences différenciées pour les scénarios aérospatiaux

• Exigences de base : priorité à faible toxicité, retardateur de flamme secondaire, fumée extrêmement faible ; les gaz de combustion ne contiennent pas de cyanure d'hydrogène ni d'halogénures d'hydrogène, transmission de la lumière ≥ 70 %, répondant aux exigences de sécurité des astronautes ;
• Matériaux applicables : intérieurs LSZH à base de polyuréthane, câbles LSZH à base de polyoléfine, matériaux d'encapsulation époxy à faible toxicité.

Vaisseau spatial sans pilote (satellites, sondes)

• Exigences de base :  Priorité ignifuge, faible adaptation à la fumée, haute stabilité ; se concentrer sur la suppression des dommages aux équipements causés par les incendies, avec des exigences plus élevées en matière de résistance aux radiations et de résistance au vide, TML ≤0,5 % ;
• Matériaux applicables : composants structurels LSZH à base de polyimide, matériaux d'encapsulation LSZH à base d'époxy, câbles en polyoléfine réticulée.

Véhicules de lancement

• Exigences de base :  résistance aux températures élevées, ignifuge, faible dégagement de fumée, légèreté ; composants structurels résistants à -65°C~180°C, les câbles doivent résister aux vibrations de lancement et aux températures élevées, densité ≤1,5 ​​g/cm³ ;
• Matériaux applicables : composites LSZH en fibre de carbone/époxy, gaine de câble LSZH à base de EVA, films polyimide résistants aux hautes températures.

IV. Applications typiques des matériaux LSZH dans les produits aérospatiaux

4.1 Isolation et gainage des câbles aérospatiaux

• Couche d'isolation : résistance aux températures élevées et basses, résistance aux radiations, isolation élevée, faible fumée et sans halogène, ignifuge ; résistance à la température à long terme -65°C~125°C, résistance à la rupture ≥20 kV/mm ;
• Couche de gainage : résistance à l'usure, résistance à l'huile, résistance au vieillissement, ignifuge, faible fumée et sans halogène, haute flexibilité ; résistance aux vibrations de lancement et à l'impact micrométéoroïde, allongement à la rupture ≥200 %.

Sélection et application des matériaux

• Couche d'isolation : matériaux LSZH à base de polyoléfine réticulée (XLPE) (système EVA/ATH/phosphore rouge), résistants à des températures allant jusqu'à 125 °C, avec d'excellentes performances d'isolation, certifiés par GJB 773A, utilisés pour les câbles de commande des engins spatiaux et de la station spatiale de Shenzhou ;
• Couche de gaine : matériaux LSZH à base de polyuréthane thermoplastique (TPU), hautement résistants à l'usure, hautement élastiques, résistants à l'huile, s'adaptant aux environnements extra-cabines complexes, utilisés pour les carrosseries de lanceurs et les câbles externes des satellites ;
• Câbles haute température : matériaux isolants LSZH à base de polyimide (PI), résistants à des températures allant jusqu'à 260 °C, utilisés pour les câbles électroniques autour des moteurs d'engins spatiaux et dans les zones à haute température.

4.2 Intérieurs aérospatiaux et composants structurels

• Rembourrage du siège : matériaux en mousse LSZH à base de polyuréthane, densité ≤ 0,5 g/cm³, hautement élastiques, à faible fumée et faible toxicité, répondant aux exigences ignifuges de la norme FAR 25.853, utilisés pour les sièges d'astronautes habités des engins spatiaux ;
• Panneaux décoratifs intérieurs : feuilles LSZH à base de polyoléfine, indice ignifuge V-0, à faible fumée, résistantes au vieillissement, légères et faciles à traiter, utilisées pour les intérieurs de cabines de stations spatiales ;
• Joints/bandes d'étanchéité : EVA/mélange de caoutchouc LSZH, résistant à l'huile, aux températures élevées et basses, hautement élastique, utilisé pour les portes de cabine et les joints de fenêtre afin d'éviter les fuites de gaz.

Composants structurels légers

• Supports/boîtiers satellite : composites LSZH à base de fibre de carbone/époxy, résistance à la traction ≥500 MPa, densité ≤1,2 g/cm³, indice ignifuge V-0, résistant aux radiations, atteignant l'unité de légèreté et de haute résistance ;
• Cartes de montage d'instruments : matériaux LSZH à base de polyimide renforcé de fibre de verre, résistants à des températures allant jusqu'à 200 °C, mécaniquement stables, à faible fumée et sans halogène, utilisés pour le montage et la fixation d'instruments de précision dans les engins spatiaux.

4.3 Encapsulation de composants électroniques aérospatiaux

• Ignifuge : indice UL94 V-0, empêchant les incendies causés par des courts-circuits ;
• Faible volatilité : TML ≤0,5 %, CVCM ≤0,05 %, évitant la contamination volatile des puces et des circuits imprimés ;
• Résistance aux rayonnements :  aucune dégradation significative des performances après un rayonnement à rayons gamma ;
• Force de liaison : ≥15 MPa, assurant une liaison ferme entre les composants et les circuits imprimés.

Sélection et application des matériaux

4.4 Matériaux de matrice composite aérospatiale

Composites LSZH en fibre de carbone/époxy

Composites LSZH en polyimide renforcé de fibre de verre

V. Problèmes de goulot d'étranglement et orientations d'optimisation des matériaux aérospatiaux LSZH

5.1 Problèmes de goulot d'étranglement existants

Stabilité à long terme insuffisante dans des environnements extrêmes

Lacunes évidentes dans les performances ignifuges à haute température

L'efficacité de la suppression de la fumée et les performances à faible toxicité doivent être améliorées

Contradiction importante entre le coût et la production à grande échelle

5.2 Orientations d'optimisation

• Nano retardateurs de flamme : nano phosphore rouge, nano montmorillonite, nano SiO₂, avec une charge ≤ 5 % améliorant considérablement les propriétés ignifuges et mécaniques ;
• Ignifugeants réactifs : introduction d’éléments phosphore et azote dans les chaînes moléculaires polymères pour obtenir un retardateur de flamme inhérent, évitant ainsi la migration et la précipitation des retardateurs de flamme.

Modification de la stabilisation des environnements extrêmes

• Réticulation par irradiation : utilisation de l'irradiation par faisceau d'électrons pour former des structures de réseau tridimensionnelles dans des chaînes moléculaires polymères, améliorant ainsi la résistance à la température des matériaux, la résistance aux radiations et la résistance mécanique ;
• Nano-Compositing : ajout de nano TiO₂ et de nano ZnO pour améliorer le vieillissement des matériaux aux UV et la stabilité aux radiations ;
• Revêtement de surface : application de revêtements résistants aux hautes températures et aux radiations pour isoler l'érosion environnementale extrême.

Développement à faible coût de résistants aux hautes températures matériaux LSZH

• Développer des matériaux en polyoléfine et en polyuréthane modifié résistant aux hautes températures, améliorant la résistance à la température jusqu'à 180 °C ~ 200 °C grâce à une conception de rigidification de la chaîne moléculaire, pour un coût de seulement 1/3 de celui du polyimide.;
• Optimiser les processus de synthèse des polyimides, en adoptant des monomères à faible coût (tels que le dianhydride pyromellitique remplaçant certains monomères coûteux) pour réduire les coûts de production et promouvoir une application à grande échelle.

Suppression de la fumée et amélioration des performances à faible toxicité

• Rechercher et développer des retardateurs de flamme intumescents pour la suppression de la fumée, favorisant la formation de couches de charbon plus denses pendant la combustion du matériau pour inhiber la génération de fumée, améliorant ainsi la transmission de la lumière à ≥ 70 % ;
• Optimiser les formulations pour réduire les rejets de gaz toxiques tels que le CO et les NOx, en obtenant l'indice de toxicité de combustion TA (non toxique), répondant aux exigences de sécurité extrêmes des engins spatiaux habités.

Production verte à grande échelle et à faible coût

• Adopter des processus de production efficaces tels que le mélange par fusion et l'extrusion réactive, en simplifiant les processus, en améliorant l'efficacité de la production et en réduisant la consommation d'énergie ;
• Recycler et réutiliser les chutes de production provenant de matériaux aérospatiaux, en réalisant une utilisation circulaire et en réduisant les coûts des matières premières ;
• Développer des matériaux LSZH biosourcés (tels que le polyuréthane et l'époxy biosourcés), équilibrant protection de l'environnement et faible coût, favorisant le développement de matériaux aérospatiaux verts.

VI. Conclusions et perspectives

1. Les matériaux à faible fumée et sans halogène (LSZH) , avec leurs caractéristiques fondamentales de faible toxicité sans halogène, de faible ignifugation de fumée, de stabilité mécanique et d'adaptabilité environnementale, répondent parfaitement aux exigences de service sûres des produits aérospatiaux dans les espaces clos et les environnements extrêmes. Ils sont devenus les matériaux de sécurité préférés pour les câbles aérospatiaux, les structures intérieures, l'encapsulation électronique et les matériaux composites ;
2. L'ignifugation et la suppression des fumées des matériaux LSZH résultent du couplage de plusieurs mécanismes : phase condensée (absorption de chaleur, formation de charbon, dilution), phase gazeuse (captage des radicaux, dilution inerte) et suppression synergique des fumées . La conception efficace d’un système ignifuge est la clé pour équilibrer le caractère ignifuge et les propriétés mécaniques ;
3. Les matériaux LSZH dans le domaine aérospatial doivent satisfaire à des normes strictes telles que GJB, SAE et FAR , en mettant l'accent sur cinq dimensions : retardateur de flamme, faible dégagement de fumée, sans halogène, propriétés mécaniques et adaptabilité environnementale. Les exigences différenciées pour les scénarios d’engins spatiaux et de lanceurs avec ou sans pilote sont importantes ;
4. Les matériaux LSZH aérospatiaux actuels sont toujours confrontés à des goulots d'étranglement, notamment des difficultés à équilibrer le caractère ignifuge et les propriétés mécaniques, une stabilité insuffisante dans les environnements extrêmes, des performances insuffisantes à haute température et des coûts élevés, limitant leur application ultérieure à grande échelle ;
5. Grâce au développement de systèmes ignifuges efficaces, à la modification d'environnements extrêmes, au développement à faible coût de matériaux résistants aux hautes températures, ainsi qu'à la suppression de la fumée et à l'amélioration de la faible toxicité, les goulots d'étranglement techniques existants peuvent être efficacement surmontés, favorisant ainsi l'application de haute qualité des matériaux LSZH dans le domaine aérospatial.

Avec l'avancement continu des vols spatiaux habités, de l'exploration de l'espace lointain, de la construction de stations spatiales et d'autres projets aérospatiaux, les exigences en matière de hautes performances, de stabilité élevée, de faible coût et de développement écologique des matériaux LSZH vont encore augmenter. La future R&D et l’application des matériaux LSZH pour l’aérospatiale présenteront les tendances suivantes :

1. Haute performance : en se concentrant sur la résistance aux températures ultra-élevées (260°C+), l'extrême faible fumée et la faible toxicité, la résistance mécanique ultra-élevée et la durée de vie ultra-longue (20+ ans), en développant des matériaux LSZH de nouvelle génération adaptés aux missions extrêmes telles que l'exploration de l'espace lointain et l'atterrissage lunaire habité ;
2. Intégration multifonctionnelle : réaliser une intégration multifonctionnelle de l'ignifugation, de la faible fumée, de la résistance aux radiations, de la conductivité thermique, de la conductivité électrique et de la conception légère, répondant aux exigences de conception intégrée et intelligente des produits aérospatiaux ;
3. Verts et peu coûteux : les matériaux LSZH d'origine biologique, les matériaux recyclés et les processus de production efficaces à faible consommation d'énergie deviennent des points chauds de R&D, favorisant le développement vert et à faible émission de carbone des matériaux aérospatiaux ;
4. Intelligence : développement de matériaux LSZH intelligents auto-réparateurs, ignifuges et sensibles à l'environnement, améliorant ainsi la sécurité et la fiabilité du service des produits aérospatiaux ;
5. Substitution nationale et autonomie : briser davantage les monopoles technologiques étrangers, parvenir à un contrôle autonome de la chaîne complète des matériaux LSZH haut de gamme, des retardateurs de flamme de base et des équipements de production clés, soutenir le développement de haute qualité de l'industrie aérospatiale chinoise.

En tant que « gardien » de la sécurité aérospatiale , les progrès technologiques des matériaux LSZH continueront de sauvegarder l'ingénierie aérospatiale.