Progrès de la recherche sur les matériaux à base de carbone pour les applications aérospatiales
Avec l’évolution des avions vers la légèreté, la haute fiabilité et la multifonctionnalisation, les matériaux métalliques traditionnels sont confrontés à des goulots d’étranglement en termes de performances. Les matériaux à base de carbone tels que la fibre de carbone, les nanotubes de carbone (CNT), le graphène, les composites carbone/carbone et les aérogels de carbone trouvent progressivement des applications techniques dans le domaine aérospatial en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, thermiques et électriques.
Le 15 octobre 2025, Composites Part B: Engineering a publié la dernière recherche intitulée « Progrès de la recherche sur les matériaux à base de carbone pour les applications aérospatiales » de l'École d'ingénierie des équipements de l'Université de Shenyang Ligong, de l'École des sciences et de l'ingénierie aéronautiques de l'Université de Beihang, du Laboratoire clé de recherche et de développement de la technologie des poudres de Pékin de l'Université de Beihang, de l'École de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Shenyang Ligong, du Collège d'ingénierie aérospatiale de l'Université d'aéronautique de Nanjing et Astronautique et le Laboratoire clé d'État de mécanique et de contrôle des structures mécaniques de l'Université d'aéronautique et d'astronautique de Nanjing.
I. Principaux matériaux à base de carbone
II. Applications en aérospatiale
Systèmes de protection thermique haute température
Dans le domaine aérospatial, les systèmes de protection thermique sont essentiels à la sécurité d’exploitation des avions. Lors d'un vol à grande vitesse et d'une rentrée atmosphérique, les avions sont confrontés à des températures extrêmement élevées et à des environnements oxydants, ce qui pose de sérieux défis pour l'intégrité structurelle et la stabilité fonctionnelle des matériaux. Avec l'augmentation des vitesses de vol et de la durée des missions, les systèmes de protection thermique doivent maintenir des performances stables dans des conditions extrêmes dépassant 1 650 °C, en particulier au niveau des éléments clés comme les navettes spatiales et les cônes avant des véhicules hypersoniques. Les matériaux doivent combiner d’excellentes propriétés thermomécaniques, une stabilité thermochimique, une résistance aux chocs thermiques et des caractéristiques de légèreté/haute résistance.
1. Rôle clé du Hf6Ta2O17 dans la résistance à l'ablation des composites C/C
Wang et al. a étudié la microstructure transversale des échantillons de HfC-0HTO, HfC-1.25HTO et HfC-2.5HTO et a constaté qu'à mesure que la teneur en HTO augmentait, la densité de la couche d'oxyde s'améliorait et l'interface avec la couche de SiC maintenait une bonne intégrité (Figure 2a-f).
Après 120 secondes d'ablation, une couche d'oxyde dense composée de HfO₂ et de ZrO₂ s'est formée sur la surface composite, améliorant considérablement la résistance à l'oxydation et la capacité anti-flux thermique (Figure 2i).
Fig. 2. (af) Images de microstructure en coupe transversale d'échantillons HfC-0HTO, HfC-1.25HTO et HfC-2.5HTO, montrant la densité de la couche d'oxyde et l'intégrité de l'interface avec la couche de SiC. (g) Photographie des composites après 120 secondes d'ablation. (h) Image SEM du centre composite après 120 secondes d'ablation. (i) Microstructure de surface après ablation, où HfO2 et ZrO2 forment une couche d'oxyde dense.
2. Excellent comportement antioxydant du revêtement ZrB2-SiC dopé au La2O3
Lin et coll. préparé un revêtement composite ZrB₂-SiC-La₂O₃ sur la surface de composites C/C par pulvérisation plasma atmosphérique. L'échantillon ZSL10 contenant 10 % en poids de La₂O₃ a donné les meilleurs résultats.
Après 10 heures d'oxydation sous air à 1 500°C, le revêtement ZSL10 n'a montré qu'une perte de masse de 9,62 %, démontrant une excellente résistance à l'oxydation.
Après 2 heures d'oxydation, le revêtement a formé une structure sandwich de « phase vitreuse borosilicatée – (La₀.₁Zr₀.₉)O₁.₉₅₊ₘ – solution solide de ZrO₂ – revêtement ZSL10 d'origine » (Figure 3a).
Au fur et à mesure que le temps d'oxydation s'étendait jusqu'à 10 heures, la phase vitreuse fondait et se dilatait davantage, encapsulant les particules oxydées et stabilisant la transition de phase du ZrO₂ dopé au La.
Une couche barrière continue de Zr (La) -OC à faible diffusion a été générée simultanément, formant finalement un film protecteur dense et sans fissures qui réduisait considérablement le taux de perméation de l'oxygène.
3. Mécanisme de protection d’auto-guérison de la couche de verre SiO2 dans les composites C/SiC
Zou et coll. ont découvert que les composites C/SiC peuvent naturellement former une couche protectrice vitreuse continue de SiO₂ par oxydation au cours du processus d'ablation.
Lorsque la température est inférieure à 1 500 °C, le SiO₂ liquide généré a une bonne fluidité et peut automatiquement remplir les microfissures de surface, réalisant ainsi une fonction « d'auto-réparation » (Figure 3c).
Cette caractéristique isole efficacement l'oxygène externe du contact avec la matrice, inhibant considérablement le développement ultérieur des réactions d'oxydation, offrant ainsi une garantie pour l'application de fibres de carbone dans des environnements à haute température.
Figure 3. (ab) Revêtement ZSL10 après (a) 2 h et (b) 10 h d'oxydation, montrant la formation de la phase stable à haute température (La, Zr) O₂ et des composés Zr (La) -OC. (c) Illustration du processus d'ablation et de son mécanisme de protection. (d) Courbes de température de surface pendant l'ablation pour les composites C/C-SiC-ZrC-Cu avec une teneur en Cu variable. (e) Schéma de l'évolution de l'ablation pour le composite C/C-SiC-ZrC-Cu.
4. Préparation de nouveaux composites C/C et leurs excellentes performances d’isolation thermique
Li et coll. préparé avec succès un composite C/C avec une structure de type aérogel en utilisant la technologie de polymérisation assistée par haute pression et de séchage à pression ambiante (APD), incorporant un renfort de fibres à faible cristallinité.
Cette méthode évite les étapes complexes d’échange de solvants organiques, simplifie le flux du processus, raccourcit le cycle de préparation et permet une production à grande échelle sans fissures.
Après avoir été chauffé par une flamme d'acétylène à 1 800 °C pendant 900 secondes, la température arrière du matériau n'était que de 685 à 778 °C (Figure 4a), démontrant d'excellentes performances d'isolation thermique.
L'optimisation de la conception microstructurale a permis d'obtenir une réduction significative de la conductivité thermique tout en conservant d'excellentes propriétés mécaniques, surmontant ainsi les problèmes de conductivité thermique élevée et de résistance insuffisante des matériaux C/C traditionnels à haute température.
5. Avantages de préparation et de performances peu coûteux et efficaces de l'aérogel de carbone renforcé de fibre de carbone (CF/CA)
Zhang et coll. imprégné un feutre de fibres de polyacrylonitrile (PA N) avec un gel de résorcinol-furfural (RF) contenant du ZnCl₂ et obtenu un aérogel de carbone renforcé de fibres de carbone (CF/CA) par des traitements de vieillissement et de pyrolyse (Figure 4b).
Ce procédé élimine les étapes d'échange de solvant et de séchage supercritique dans la méthode sol-gel traditionnelle, permettant la préparation de matériaux d'isolation haute température efficaces et peu coûteux.
Sous une atmosphère d'argon à 1 800 °C, CF/CA a maintenu une faible conductivité thermique de 0,6904 W/m·K (Figure 4c) et une résistance à la compression élevée de 6,10 MPa (Figure 4d), combinant une excellente isolation à haute température avec une stabilité mécanique.
Fig. 4. (a) Modifications de température sur les surfaces avant (Tf) et arrière (Tb) de composites C/C chauffés par une flamme oxyacétylène à 1 800 °C. (b) Organigramme de préparation de l'aérogel de carbone renforcé de fibres de carbone (CF/CA). (c) Courbe contrainte-déformation en compression de CF/CA. (d) Conductivité thermique du CF/CA dans une atmosphère d'argon à différentes températures.
6. Préparation assistée par chitosane d’aérogel de carbone monolithique haute performance
Men et coll. préparé avec succès des aérogels de carbone de très faible densité, de taille nanométrique, morphologiquement intacts, en optimisant la réaction de polymérisation et le réseau de liaisons hydrogène entre le chitosane et le précurseur pour construire un squelette de gel renforcé.
Le processus de préparation par séchage à pression ambiante est illustré à la figure 5a. Dans des conditions acides, le résorcinol et le formaldéhyde génèrent des dérivés hydroxyméthylés. Le chitosane est protoné sous catalyse acide et réticulé avec du formaldéhyde pour former une structure de réseau tridimensionnelle, qui agit comme un modèle souple pour guider la réaction sol-gel et relie les oligomères RF via des liaisons hydrogène, améliorant ainsi la résistance de la structure du gel.
L'hydrogel RF a été carbonisé après séchage entre 80 et 100 ° C sous pression ambiante pour obtenir des aérogels de carbone monolithiques de grande taille. Sans chitosane, le gel a tendance à se fissurer lors du séchage. L'ajout de chitosane inhibe efficacement le retrait et la fissuration, ce qui donne des aérogels RF sans défauts (Figure 5b).
Fig. 5. Processus de préparation d'un aérogel de carbone monolithique nanoporeux par séchage à pression ambiante : (a) schéma du processus de préparation ; (b) schématique du processus de séchage.
Protection anti-atomique contre l'oxygène
1. Menace de l’environnement de l’oxygène atomique pour les engins spatiaux LEO et potentiel de protection des matériaux à base de carbone
Dans l’environnement de l’orbite terrestre basse (LEO), l’oxygène atomique (AO) est l’un des facteurs environnementaux spatiaux les plus destructeurs, généré par la photodissociation de l’oxygène moléculaire provoquée par le rayonnement ultraviolet solaire.
L'AO est hautement oxydante et réagit avec les matériaux de surface des engins spatiaux, provoquant une grave érosion et une dégradation des performances.
Les matériaux à base de carbone (tels que le graphène) présentent une excellente résistance à l'érosion de l'AO en raison de leur structure monocouche unique, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications en environnement LEO.
2. Effet du graphène comme nanocharge contre l’érosion atomique par l’oxygène
L'incorporation de graphène comme nanocharge dans une matrice polymère peut améliorer considérablement la résistance à l'AO du matériau composite.
Zhang et coll. ont découvert que l'ajout de 0,5 % en poids de graphène à la résine époxy réduisait la perte de masse et le rendement d'érosion de 46 % et 47 %, respectivement.
Yi et coll. ont montré que sous le même flux d'AO (4,7 × 10²⁰ atomes·cm⁻²), seulement 1 % en poids de graphène à quelques couches (FLG) de grande taille pourrait réduire la perte de masse de PVA de 42 %, surpassant le FLG de petite taille (~ 33 %) et l'oxyde de graphène GO (~ 28 %).
L'amélioration est attribuée à l'effet de barrière physique et à l'effet de liaison chimique du FLG et du GO, empêchant efficacement la pénétration de l'AO dans le substrat.
(ab) Perte de masse et rendement d'érosion des nanocomposites époxy/graphène. (c) Morphologie des gros flocons FLG, (d) des petits flocons FLG et (e) des flocons GO après exposition à l'oxygène atomique (AO). (f) Schéma de la formation de liaison et de l'effet barrière. (g) Schéma de la perméation de l'AO à travers de gros flocons de graphène. ( h ) Schéma de la pénétration de l'AO à travers de petits flocons de graphène. (i) Schéma de la pénétration de l'AO à travers des flocons d'oxyde de graphène. Perte de masse par rapport au PI pour des films composites avec différentes teneurs en charges sous une fluence AO totale de 10×10²⁰ atomes/cm² : (j) EG et (k) EG/nanoparticules. Schéma des mécanismes par lesquels (l) les EG et (m) les EG/nanoparticules améliorent la résistance à l’érosion AO du PI. (n) Effets de barrière et de liaison entre les EG et l’AO. (o) Résistance à la flexion en trois points des composites C/C et SiC-C/C après différents temps d'irradiation AO. (p) Taux de changement de masse des composites C/C et SiC-C/C après différents temps d'irradiation AO.
3. Exemple d'application du revêtement de graphène dans la protection contre l'oxygène atomique
Le dépôt d'un revêtement SiC sur la surface des composites C/C grâce à la technologie CVD peut améliorer considérablement leur résistance à l'érosion AO. Le taux de rétention de force a augmenté de 20,3 % et le taux de perte de masse a diminué de 60 %.
La surface C/C non protégée a été directement oxydée en CO/CO₂ lors de l'impact d'un AO à grande vitesse, formant des piqûres de corrosion en forme de nid d'abeilles. En revanche, la surface SiC-C/C a généré in situ une couche protectrice dense de SiO₂/SiCₓOᵧ, accompagnée de la précipitation d'une phase graphite et d'une expansion volumique, aidant à fermer les fissures et à empêcher une nouvelle érosion AO de la matrice de carbone interne.
(ab) Schéma des mécanismes de dommages induits par l'oxygène atomique (AO) dans les composites C/C et SiC-C/C. (c) Schéma de l'expérience d'exposition à l'oxygène atomique . (d) Installation de simulation au sol pour les effets de l'oxygène atomique. (e) Schéma illustrant le mécanisme du revêtement de graphène protégeant Kapton de l'érosion de l'AO.
4. Avantages de l’intégrité structurelle et de la transparence optique des revêtements composites de graphène
Cui et coll. a développé un revêtement composite polysiloxane modifié au graphène-60 % en volume SiO₂ (G-PSS), uniformément enduit sur la surface du Kapton à l'aide d'une méthode sol-gel combinée à plusieurs processus de revêtement par immersion.
Sous une fluence totale simulée de LEO AO de 1,86 × 10²⁰ atomes/cm², le taux d'érosion du revêtement G-PSS variait de 9,77 × 10⁻²⁷ à 1,25 × 10⁻²⁶ cm³/atome, trois ordres de grandeur inférieurs à ceux du Kapton nu et un ordre de grandeur supérieur au revêtement PSS sans graphène.
Après exposition à l'AO, la surface nue du Kapton présentait une structure rugueuse et poreuse typique « semblable à un tapis », tandis que la surface du revêtement G-PSS restait presque inchangée, sans pores ni microfissures, prouvant que le graphène compensait efficacement les défauts du revêtement PSS.
Le revêtement G-PSS a maintenu une transmission de la lumière visible supérieure à 90 % avant et après le traitement AO, combinant une excellente résistance à la corrosion avec une transparence optique élevée, répondant ainsi aux exigences de performances optiques des surfaces des engins spatiaux.
(a) Image SEM de Kapton avant l’érosion AO. (ce) Images SEM de Kapton après érosion AO. (b) Image SEM de Kapton recouvert de graphène (charge : 26,0 μg/cm²) avant érosion AO. (df) Images SEM du même Kapton enrobé après érosion AO (fluence AO : 7,09 × 10²⁰ atomes/cm²). (gj) Images de surface après exposition AO : (g) Kapton, (h) Graphène, (i) revêtement hybride PSS, (j) revêtement composite G-PSS. (k) Comparaison de transparence du Kapton et du revêtement composite G-PSS avant et après exposition à une fluence AO de 1,86 × 10²⁰ atomes/cm².
Matériaux de blindage électromagnétique et absorbant les ondes
1. Optimisation structurelle et amélioration des performances des matériaux à base de carbone dans l’absorption des micro-ondes
En sélectionnant rationnellement les composants de charge et en optimisant la structure du matériau, la capacité d'absorption des micro-ondes des matériaux peut être considérablement améliorée.
Les résultats de recherche pertinents jettent les bases théoriques du développement de la compatibilité électromagnétique et de la technologie furtive dans les équipements aérospatiaux et militaires, et fournissent des voies techniques efficaces pour l'application technique des matériaux d'absorption des micro-ondes.
La figure suivante montre les schémas de préparation de divers matériaux avancés d'absorption des micro-ondes. Ceux-ci incluent le matériau poreux FGS/PS (moulage par compression + méthode au sel fondu), la structure multicouche MSS (résine époxy, 1 % en poids de MWCNT, 4 % en poids de MWCNT), le nanocomposite à trois couches et ses performances d'absorption, la construction du matériau Ni/MnO-CA et son mécanisme d'absorption des ondes électromagnétiques, et la structure de blindage électromagnétique du LCF/PC-SiC.
(a) Schéma de fabrication de matériaux poreux FGS/PS par moulage par compression et lixiviation du sel. (b) Structure multicouche MSS : résine époxy, 1 % en poids de MWCNT et 4 % en poids de MWCNT. (c) Séquence de couches du nanocomposite à trois couches. (d) Performances d'absorption des micro-ondes du nanocomposite à trois couches. (e) Schéma du processus de préparation de Ni/MnO-CA. (f) Schéma du mécanisme d’absorption des ondes électromagnétiques de Ni/MnO-CA. (g) Schéma du mécanisme de protection contre les ondes électromagnétiques du LCF/PC-SiC.
2. Analyse des caractéristiques de l'application
Réduction de poids et économie d'énergie : les composites en fibre de carbone peuvent réduire le poids de 20 à 40 % par rapport aux alliages d'aluminium, améliorant considérablement l'efficacité énergétique et sont largement utilisés dans les gros avions de passagers.
Résistance aux environnements extrêmes : les composites carbone/carbone peuvent fonctionner pendant de longues périodes dans des environnements à haute température et sans oxygène, adaptés aux zones à haute température lors de la rentrée atmosphérique.
Intégration multifonctionnelle : le graphène et les NTC confèrent aux matériaux des fonctions telles que la conductivité électrique, la conductivité thermique et la détection, favorisant ainsi le développement de structures intelligentes.
Isolation thermique efficace : l'aérogel de carbone est l'un des matériaux solides ayant la conductivité thermique la plus faible connue, adapté à la conception d'isolation passive dans les missions d'exploration de l'espace lointain.
Défis actuels
Bien que les matériaux à base de carbone présentent un grand potentiel dans l'aérospatiale, les problèmes suivants subsistent :
Mauvaise résistance à l’oxydation : les matériaux carbonés s’oxydent facilement dans des environnements à haute température contenant de l’oxygène et nécessitent l’utilisation de revêtements tels que le SiC.
Coût de fabrication élevé : le coût de production des fibres de carbone hautes performances et des composites structurels complexes est élevé, ce qui limite les applications à grande échelle.
Difficulté à contrôler la cohérence du processus : les matériaux nanocarbonés ont une faible dispersibilité et sont sujets à l'agglomération pendant le processus de composition, affectant la stabilité des performances.
Orientations futures du développement
Promouvoir la conception structurelle à plusieurs échelles pour obtenir une optimisation synergique des propriétés mécaniques et fonctionnelles.
Établir des modèles de relation structure-propriété des matériaux pour guider la conception rationnelle de nouveaux matériaux carbonés.
Développer des technologies de formage automatisées et peu coûteuses pour améliorer la fabricabilité.
Explorez les processus de préparation écologiques pour réduire la consommation d’énergie et l’impact environnemental.
En résumé, les matériaux à base de carbone sont devenus des matériaux essentiels au développement de véhicules aérospatiaux de haute performance en raison de leurs excellentes propriétés telles que la légèreté, la haute résistance, la résistance aux environnements extrêmes et l'intégration multifonctionnelle. Cependant, leur susceptibilité à l’oxydation dans des environnements à haute température et contenant de l’oxygène reste un défi majeur qui doit être surmonté. En se concentrant sur ce problème de l'industrie, Yinsu Flame Retardant Company, spécialisée dans la recherche, le développement et la production de retardateurs de flamme, saisira activement cette tendance à l'avenir. Nous nous engageons à développer de nouveaux retardateurs de flamme très efficaces, compatibles avec les matériaux à base de carbone. Grâce à l'innovation technologique continue et à la collaboration industrie-université-recherche, nous visons à fournir des solutions ignifuges avancées pour remédier aux faiblesses inhérentes des matériaux à base de carbone, à contribuer à la transformation et à la mise à niveau de l'ensemble de l'industrie ignifuge vers des performances et une multifonctionnalité élevées, et à contribuer à propulser l'industrie aérospatiale vers de nouveaux sommets.
