Les matériaux composites en construction navale militaire

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Les matériaux composites en construction navale militaire

Patrick Parneix , Jean Yves Le Lan , Dominique Lucas DCN Ingenierie, BP 49 – 56 998 LORIENT Naval (France)

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1 BREVE HISTOIRE DES MATERIAUX COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE D’après la littérature, la première apparition des matériaux composites en construction navale se situerait en 1946 [1]. L'US NAVY réalise à cette époque des embarcations de 28 pieds, destinées au transport de personnels, suivant deux techniques : le moulage sous pression et l'injection sous vide avec des taux de fibres modestes (de l'ordre de 25 %). Progressivement la technique de stratification au contact en voie humide s'impose pour les applications navales. A partir de 1955, l'apparition des tissés de roving ainsi que de nouvelles techniques de moulage entraîne une croissance rapide des applications des matériaux composites, toujours limitées à de petites unités (jusqu'à 57 pieds) : vedettes de patrouilles côtières, transports de personnels, navires de débarquement... Simultanément en Europe, les caractéristiques de légèreté et surtout d'absence de corrosion de ces matériaux étranges commencent à susciter de l'intérêt [2]. Ainsi en France, un prototype de vedette polyvalente de 9,50 mètres est produit dès 1958 [3]. Elle est suivie de plus d'une centaine d'unités du même type dont certaines sont encore en service aujourd'hui et d’un ambitieux programme de Recherche et Développement dès le début des années 60. Dans le même temps, au Royaume-Uni, un programme d’essais [4] sur des structures de grandes dimensions dont un tronçon de navire anti-mines de 10,4 mètres de long conduit en 1970 au lancement en fabrication de la 1 ère grande structure en matériaux navale le chasseur de mines composites, HMS WILTON (longueur 47 mètres, déplacement 450 tonnes). Si le concept est assez proche des anciens chasseurs de mines en bois, ce bâtiment n'en constitue pas moins une avancée technologique très importante et ouvre la voie à l'une des applications majeures des matériaux composites en construction navale militaire : les bâtiments anti-mines. Très rapidement le programme engagé en France débouche sur le lancement en fabrication en 1976 de la série des chasseurs de mines type ERIDAN (51 mètres, 150 tonnes de composites). Ce programme, conduit en coopération tripartite (France, Pays-Bas, Belgique) génère la construction de plus de 25 unités. D'autres technologies voient le jour en Europe, toujours pour des applications de navires anti-mines : LERICI en Italie, LANDSORT en Suède. Avec l'amélioration des matériaux de base, principalement des résines, une connaissance plus approfondie des performances des composites, une meilleure maîtrise des procédés de transformation, et enfin avec le saut déterminant dans les méthodes de calcul et de dimensionnement des structures, les composites trouvent au fil du temps de nouvelles applications : coques de vedettes et navires rapides, ponts externes de sous-marins, dômes sonars, ... En France, un saut technologique considérable est accompli au début des années 90. Des superstructures en matériaux composites sont montées sur les frégates type LA FAYETTE et dérivées [5]. Paradoxalement, les Etats-Unis qui ont été les pionniers de l'introduction des composites en construction navale, marquent temporairement le pas dans le développement de grandes structures navales, vers la fin des années 60. Cela est probablement dû à une réorientation de la stratégie de lutte contre les mines. A partir de cette date, si les chantiers américains construisent de nombreux bâtiments en composites pour l'US NAVY [6], il s'agit dans leur très grande majorité de petites unités (inférieures à 11 mètres).Il faut attendre la fin des années 80 pour voir les Etats-Unis s'impliquer à nouveau dans la réalisation de grandes structures (chasseurs de mines MSH CARDINALE et OSPREY - 57 mètres). La fin du siècle est marquée par d’importantes évolutions technologiques, tant au niveau des procédés de transformation qu’au niveau des matériaux [7]. Les fibres de carbone font une entrée remarquée, notamment dans le cadre du programme VISBY (Karlskronavarvet- Suède). Les matériaux composites deviennent de plus en plus des matériaux multifonctionnels, c’est à dire intégrant au-delà du simple rôle structural, des fonctions telles que le transfert d’information, la furtivité, …

Communication présentée lors de la réunion des spécialistes RTO AVT sur «Les structures composites à bas coût», organisé à Loen, en Norvège, du 7 au 11 mai 2001, et éditée dans RTO-MP-069(II).

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2 PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES COMPOSITES INTERESSANT LA CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE L’absence de corrosion et un bon vieillissement en milieu marin sont les propriétés qui rendent particulièrement intéressant l’utilisation des matériaux composites en ambiance marine. D’autres caractéristiques ont été mises à profit pour des applications en construction navale militaire. Certaines spécificités des composites à matrice organique peuvent cependant constituer un frein ou rendre plus complexe l’intégration à bord des navires. Nous proposons d’évoquer dans le chapitre qui vient les singularités de ces matériaux. 2.1. ABSENCE DE CORROSION La corrosion des structures métalliques est une préoccupation constante dans la construction navale traditionnelle. Elle génère des coûts de maintenance importants, doublés de longues et fréquentes périodes d'indisponibilité des matériels. Il est évident que les composites à matrice organique n'étant pas corrodables, ils induisent des économies substantielles en terme de maintenance et de protection par peinture. En outre, l'oxydation des métaux peut dans certains cas engendrer des problèmes de sécurité, comme par exemple dans les enceintes confinées. Des incidents dramatiques ont malheureusement par le passé, illustré les risques liés à la consommation de l'oxygène dans des locaux telles que les soutes. De tels accidents ne sauraient intervenir dans des structures en matériaux composites. 2.2. VIEILLISSEMENT EN MILIEU MARIN Le vieillissement en milieu marin des composites à matrice organique est généralement très bon, même s'il existe une relative disparité suivant le type de matrice employée (nature chimique, degré de réticulation,...), la qualité du composite (taux de fibres, porosité, état de microfissuration,...) et même les conditions d’environnement et d’utilisation. Le choix des résines et du procédé de fabrication qui conditionnent grandement la qualité du composite, sont donc déterminants pour la tenue au vieillissement dans une ambiance marine. Si les premiers concepteurs de navires à coques composites pouvaient légitimement s’interroger sur la tenue dans le temps de leurs structures, le retour d’expérience accumulé depuis des décennies aussi bien sur des objets naviguant que sur des éprouvettes de laboratoire, justifient la confiance accordée aux composites à matrice organique. 2.3. LEGERETE La densité du composite varie bien évidemment en fonction de la nature des composants et du ratio fibres / matrice. Néanmoins, cette densité reste bien inférieure à celle des matériaux métalliques. A performances équivalentes, le gain de masse obtenu en réalisant la structure en composite n'est cependant pas dans le rapport des densités. Compte tenu des caractéristiques mécaniques généralement plus faibles, on estime globalement ce gain entre 25 et 60 %. Cet allégement des structures est sans conteste un des arguments majeurs pour l'emploi des composites. Il permet : une amélioration de la stabilité, un accroissement de la vitesse des navires, une augmentation de la capacité d'emport ou de l'autonomie, une réduction des puissances propulsives, etc. 2.4. PERFORMANCES MECANIQUES Si on les compare aux matériaux métalliques, les composites à matrice organique se caractérisent par des lois de comportement sensiblement différentes, une tenue en fatigue bien supérieure ainsi que des niveaux de modules d'élasticité généralement inférieurs.

2.4.1.Lois de comportement Des lois de comportement purement élastiques jusqu’à rupture pour les matériaux composites offrent des avantages. En effet, cette caractéristique permet aux structures de retrouver leur géométrie après de fortes sollicitations.

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2.4.2.Résistance à rupture Les composites sont par nature des matériaux anisotropes. Le degré d'anisotropie d'une structure est très variable et dépend uniquement des choix d'optimisation du concepteur, guidé par une analyse très fine des directions principales des contraintes dans la structure considérée. Les contraintes à rupture des composites sont donc étroitement liées à la nature de leurs constituants, au type de présentation des renforts, et à leur mise en œuvre. 2.4.3.Module d'élasticité Tout comme pour les contraintes à rupture, les modules d'élasticité des matériaux composites à matrice organique dépendent essentiellement de la nature et de l'orientation des fibres dans la structure. Leur valeur est donc très variable mais n'atteint cependant pas de niveau très élevé (fibre de verre). En fonction des applications, cette caractéristique peut devenir tantôt un avantage, tantôt un inconvénient. 2.4.4.Tenue en fatigue Les composites à matrice organique présentent une résistance spécifique à la rupture en fatigue très supérieure à celle des matériaux métalliques, en général considérée comme 3 fois supérieure à celle des alliages légers d'aluminium et 2 fois supérieure à celle des aciers à haute résistance et des alliages de titane [8] . Comme pour les autres performances des composites, la résistance à la fatigue varie suivant la composition des matériaux. Ainsi, il est généralement admis la supériorité des composites à fibres de carbone sur les autres types de composites. De la même façon, les composites sont plus sensibles à certaines sollicitations cycliques (compression, cisaillement) qu'à d'autres (traction, flexion). L'ascendant pris par les composites sur les matériaux métalliques vis-à-vis de la tenue à la fatigue est manifeste pour les performances intrinsèques des matériaux, et se confirme au niveau des assemblages. 2.5. AMAGNETISME Le développement des mines à influence a conduit les concepteurs de navires militaires à réduire la signature magnétique des navires et tout particulièrement des coques. Le challenge est d'autant plus important pour les navires anti-mines particulièrement exposés à ce risque. Les principales marines se sont donc tout naturellement orientées pour la réalisation de coques de navires anti-mines, d’abord vers le bois puis assez rapidement vers les composites à matrice organique qui sont par nature amagnétiques. 2.6. TENUE AU FEU Présenter la tenue au feu comme un intérêt des matériaux composites peut surprendre, tant il est vrai que les matériaux organiques véhiculent une image négative dans ce domaine. En présence d'une flamme ou d'une source de chaleur élevée, un produit organique brûle ou génère des gaz combustibles, phénomène accompagné de dégagement de fumées plus ou moins denses et toxiques. Ce comportement à la flamme (réaction au feu), caractéristique de la matrice, peut être considérablement amélioré dans le cas d'un composite, d'une part en raison du rôle de protection joué par les fibres présentes dans la matrice, d'autre part par un choix judicieux de la résine. Ainsi, certaines résines comme les phénoliques par exemple, présentent naturellement une excellente tenue à la flamme. L'incorporation de charges, permet également de réduire la sensibilité à la flamme, de matrices réputées vulnérables, telles que les polyesters. La mise en place de protections telles que mousses ignifugées ou laine de roche, permet également de sécuriser les navires vis-à-vis du risque incendie. Si la réaction au feu, comme nous l'avons vu, peut apparaître comme un point faible pour l'intégration de structures composites à bord des navires, la résistance au feu s'avère au contraire dans bien des cas, un point fort, surtout par comparaison à des matériaux concurrents tels que les alliages légers d'aluminium. En effet, des structures composites correctement conçues présentent l'avantage de permettre à la structure de tenir son rôle, malgré la présence d'un incendie : résistance mécanique, isolation thermique, étanchéité feu et fumées et ainsi de retarder considérablement la propagation d’un incendie en permettant aux moyens de lutte d’entrer en action pour éteindre l’incendie..