Les matériaux composites sont de nouveaux matériaux créés grâce à des techniques avancées de préparation des matériaux qui combinent de manière optimisée des composants aux propriétés différentes. Dans les années 1940, en raison des besoins de l'industrie aéronautique, des plastiques renforcés de fibre de verre (communément appelés fibre de verre) ont été développés, marquant le début du terme « matériaux composites ». Après les années 1950, des fibres à haute résistance et à haut module telles que la fibre de carbone, la fibre de graphite et la fibre de bore ont été successivement développées. Dans les années 1970, les fibres d’aramide et les fibres de carbure de silicium ont également fait leur apparition. Avec l’application croissante des matériaux composites dans divers domaines – en particulier dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile, de la construction, de l’électronique et des nouvelles énergies – l’industrie mondiale des matériaux composites a montré une tendance de croissance continue.

À mesure que de plus en plus de matériaux et de structures composites sont utilisés dans différentes industries, comprendre comment les inspecter pour déceler tout dommage est devenu un sujet important. Cet article passe en revue plusieurs méthodes courantes de tests non destructifs (CND) pour les matériaux composites.

Les tests non destructifs, ou CND, sont une méthode de test standard dans l'industrie des matériaux composites qui ne nécessite pas de couper ou de modifier le matériau d'une autre manière. C’est également essentiel pour produire des produits de haute qualité. Il existe plusieurs méthodes CND parmi lesquelles choisir, et parfois plusieurs méthodes doivent être utilisées simultanément pour bien comprendre les types, les tailles, les emplacements et la profondeur des défauts dans les stratifiés composites.

(2) Les tests d'impact sont une autre méthode d'inspection fondamentale. Cela consiste à tapoter doucement la surface de la pièce avec un marteau ou une pièce de monnaie. Un son métallique brillant indique que la structure est saine, tandis qu'un « bruit sourd » suggère la présence de défauts, tels qu'un délaminage ou un décollement. Les marteaux numériques peuvent mesurer la réponse à l'impact et afficher le temps nécessaire au stratifié pour réagir en millisecondes. Un temps de réponse plus court indique que la structure absorbe moins les chocs, ce qui suggère qu'elle est solide. À l’inverse, lorsque des défauts sont présents, le temps de réponse est plus long, ce qui entraîne des lectures plus élevées à l’écran.

Cette méthode est plus efficace pour les stratifiés minces d’une épaisseur inférieure à 3,05 mm, mais elle peut ne pas donner de résultats fiables pour les stratifiés très épais. Un autre inconvénient est que cela peut parfois donner des lectures erronées, notamment lorsque le dos du stratifié est collé à une autre structure.

(3) Les tests par ultrasons (UT) sont actuellement la méthode de contrôle non destructif la plus largement utilisée. Le principe des tests par ultrasons consiste à envoyer des ondes d'énergie à haute fréquence (allant de 0,5 à 25 MHz) dans un stratifié, capturant et quantifiant l'amplitude et le temps de vol de ces formes d'onde pour analyser les propriétés des matériaux et les changements structurels. Les principales méthodes utilisées dans les tests par ultrasons sont :

Test ultrasonique par écho d'impulsion : Cette méthode peut être réalisée avec une sonde ultrasonique unilatérale qui fonctionne à la fois comme émetteur et comme récepteur. Il fonctionne en utilisant une excitation par impulsions à haute pression, où chaque impulsion électrique active l'élément transducteur. Cet élément convertit l'énergie électrique en énergie mécanique sous forme d'ondes ultrasonores. L'énergie des vagues pénètre dans la pièce à tester via une pointe de contact en Téflon® ou en méthacrylate. Les formes d'onde sont générées dans la pièce de test et sont captées par l'élément transducteur. Tout changement dans l'amplitude du signal reçu ou dans le temps nécessaire à l'écho pour revenir au transducteur indique la présence de défauts. Les tests par écho d'impulsion sont utilisés pour détecter les délaminages, les fissures, les vides, l'eau et le décollement des composants adhésifs, mais il est plus difficile d'identifier les délaminages ou les défauts entre l'âme et la peau des structures sandwich.

Test par ultrasons à transmission directe : cette méthode utilise deux transducteurs, un de chaque côté de la zone inspectée. Le signal ultrasonore est transmis d'un transducteur à l'autre. La perte d'intensité du signal est ensuite mesurée à l'aide d'instruments, qui représentent cette perte en pourcentage de la force du signal d'origine ou en décibels. Les zones où la perte de signal dépasse les normes de référence sont identifiées comme zones défectueuses.

Testeurs de liaison basse et haute fréquence : ces testeurs de liaison utilisent des sondes d'inspection équipées d'un ou deux transducteurs. Les testeurs de liaison haute fréquence sont conçus pour détecter les délaminages et les vides, capables d'identifier des défauts aussi petits que 0,5 pouces de diamètre. Cependant, ils ne peuvent pas détecter les décollements ou les vides entre la surface et l’âme en nid d’abeilles. Les testeurs de collage basse fréquence utilisent deux capteurs pour détecter les délaminages, les vides et le pelage des âmes en nid d'abeilles, mais ils ne peuvent pas déterminer quel côté de la pièce est endommagé et sont incapables de détecter des défauts inférieurs à 1,0 pouce.

Tests par ultrasons multiéléments : les tests multiéléments sont l'une des dernières méthodes ultrasoniques pour détecter les défauts dans les structures composites. Elle fonctionne sur le même principe que les méthodes d'écho d'impulsion, mais utilise simultanément des dizaines, voire plus, de capteurs, ce qui accélère considérablement le processus d'inspection.

(4)Test d'imagerie thermique Le principe de fonctionnement de l'imagerie thermique infrarouge pulsée implique l'utilisation de techniques de chauffage actif pour enregistrer automatiquement les défauts de surface dans les échantillons de test. Il mesure les différences de température dans le matériau de la matrice causées par des propriétés thermiques variables, permettant ainsi d'identifier les dommages à la fois en surface et à l'intérieur. Cette méthode se caractérise par sa nature sans contact, en temps réel, efficace et intuitive, ce qui la rend particulièrement adaptée à la détection des délaminages, de la porosité, du pelage, de la stratification et des défauts de type zone dans les structures liées entre matériaux composites et métaux.

L'imagerie thermique est particulièrement utile lorsque les pièces ou les composants ne peuvent pas être immergés dans l'eau pour les tests par ultrasons C-scan, ou lorsque la forme de la surface des pièces rend l'inspection par ultrasons difficile. Cette technique constitue une alternative intéressante pour évaluer l’intégrité des structures complexes.

(5) Les tests radiographiques (RT), faisant généralement référence à l'inspection aux rayons X, sont une méthode de contrôle non destructif (CND) précieuse car ils permettent une vue interne d'un composant sans démontage. Cette méthode fonctionne en faisant passer des rayons X à travers la pièce à tester, capturant les variations d'absorption sur un film sensible aux rayons X. Après avoir développé le film exposé, les inspecteurs analysent les différences d'opacité, créant ainsi une représentation visuelle des détails internes.

Bien qu'ils ne soient pas idéaux pour détecter des défauts tels que des délaminages sur des plans perpendiculaires à la direction des rayons X, les tests aux rayons X excellent dans l'identification des défauts parallèles au faisceau de rayons X. Les anomalies internes telles que les délaminages des coins, les noyaux écrasés, les noyaux fracturés, l'eau dans les cellules du noyau, les vides dans les joints de mousse adhésive et le positionnement relatif des détails internes sont facilement visibles par imagerie aux rayons X.

Étant donné que la plupart des matériaux composites sont presque transparents aux rayons X, des rayons X de faible énergie sont nécessaires. Pour des raisons de sécurité, la RT autour des avions est généralement peu pratique et les opérateurs doivent utiliser un blindage en plomb et maintenir une distance de sécurité par rapport aux sources de rayons X.

Il existe plusieurs techniques de tests radiographiques, chacune adaptée à des applications spécifiques :

La radiographie standard convient aux pièces d'épaisseur modérée.
La radiographie basse tension est utilisée pour les pièces minces (1 à 5 mm).
La radiographie gamma est appliquée aux composants épais.
La radiographie neutronique, méthode complémentaire à l'imagerie aux rayons X, visualise les caractéristiques internes basées sur l'atténuation à travers différents supports. La transmission des neutrons est influencée par la section efficace des neutrons des noyaux atomiques dans le matériau, ce qui permet de visualiser des caractéristiques telles que des éléments légers (par exemple, l'hydrogène dans la corrosion ou l'eau), que les rayons X seuls ne peuvent pas révéler.

(6) Tests de shearographie : La shearographie est une méthode optique laser qui utilise un interféromètre shearographique pour détecter et mesurer les déformations hors plan des composants. Initialement, la pièce est mesurée à vide. Ensuite, le test est répété sous des charges appliquées, qui peuvent inclure des contraintes thermiques, mécaniques, acoustiques, de pression, de vide, électriques, magnétiques, micro-ondes ou mécaniques. Ce processus permet à une caméra de capturer des motifs de franges de contrainte sur la surface du stratifié là où des défauts souterrains sont présents.

Un logiciel informatique spécialisé extrapole les images de la carte de phase enveloppée pour créer une carte de phase non enveloppée, la convertissant en une image visuelle intégrée pour l'affichage et l'évaluation. Notamment, cette technique peut révéler rapidement l'emplacement des défauts, mais nécessite des tests ultrasoniques supplémentaires pour déterminer la profondeur du défaut.

Tests d'émission acoustique (AE) : les tests d'émission acoustique détectent et analysent les signaux d'émission sonore produits par des matériaux ou des structures composites sous charge, évaluant la qualité globale des composants composites. Cette technique est efficace pour l'analyse des défauts, reflétant la progression des dommages et les modèles de défaillance au sein des composites, prédisant la résistance portante finale et identifiant les points faibles de la qualité des composants.

La technologie AE est pratique et conviviale, fournissant des informations précieuses sur les processus de déformation et d'endommagement des matériaux lors des essais mécaniques. Les méthodes AE comprennent principalement :

Analyse des paramètres: En enregistrant et en analysant les paramètres du signal tels que l'amplitude, l'énergie, la durée, le nombre d'anneaux et le numéro d'événement, il évalue les caractéristiques des dommages telles que la gravité, l'emplacement et les mécanismes de défaillance. Cependant, un inconvénient majeur est que les informations sur la source AE peuvent être obscurcies par les capteurs résonants, conduisant à une mauvaise reproductibilité des résultats expérimentaux.

Analyse de forme d'onde : cette approche enregistre et analyse les formes d'onde du signal AE pour obtenir des spectres et des fonctions de corrélation. Il permet d'identifier les caractéristiques de fréquence associées aux étapes et aux mécanismes de dommages, offrant ainsi un aperçu du profil de dommages du matériau.

Analyse spectrale : Cette technique, qui comprend à la fois l'analyse spectrale classique et moderne, transforme les signaux AE du domaine temporel vers le domaine fréquentiel. Il permet l’identification des informations intrinsèques de la source AE en étudiant diverses caractéristiques du signal dans le domaine fréquentiel. Cependant, l'analyse spectrale suppose que le signal est un signal stationnaire et périodique, ce qui limite sa capacité à capturer les variations d'informations localisées.