Les matériaux peu absorbants comme les composites renforcés en fibres de carbone (CFRP), légers et robustes, sont de plus en plus utilisés dans l’industrie aéronautique. Leur faible conductivité thermique et électrique les rend cependant plus vulnérables aux dommages causés par la foudre, tels que la délamination ou la rupture des fibres. Pour contrôler précisément ces éléments composites, le CEA-List développe en collaboration avec l’ONERA de nouvelles méthodes d’imagerie exploitant l’information de déphasage portée par les rayons, ou imagerie par rayons X en contraste de phase. Fournissant des données complémentaires à celles issues de l’absorption des rayons X classiquement utilisée, elle se révèle particulièrement adaptée aux contrôles des composites.
Des travaux récents, notamment ceux de la thèse de Laureen Guitard menée au CEA-List, proposent une méthode robuste de diagnostic quantitatif pour caractériser les CFRP endommagés par des impacts de foudre. Une plaquette CFRP (Figure 1), dimensionnée en laboratoire, est soumise à une décharge électrique transitoire générée par un courant représentatif des normes des tests de foudre. Après l’impact, une image de l’échantillon est obtenue grâce à une méthode d’interférométrie à décalage multilatéral (Figure 2), technique co-développée par l’ONERA et le CEA-List sur un banc d’imagerie par rayons X.
La figure 3 présente les images d’absorption (μ), de gradients de phase (dΦ) et de phase (Φ) d’une zone du CFRP proche du point d’injection du courant. Les informations obtenues sont complémentaires : l’image d’absorption met en évidence des zones localement absorbantes, tandis que l’image de phase révèle une zone plus large et hétérogène (environ 750 μm) autour du trou. Les images des gradients de phase, selon les directions des nappes des fibres de carbone (± 45°), permettent de visualiser leurs orientations. Ces images sont globalement homogènes, sauf à proximité du trou, où l’écart type des valeurs de gris double, indiquant une désorientation des fibres.
Pour quantifier précisément les dommages, les valeurs de phase du CFRP sont liées à des variations relatives de masse volumique grâce à un objet étalon. La figure 4 présente une carte montrant les variations de masse volumique en pourcentage : les zones blanches indiquent une densité inchangée, les zones bleues une densité plus faible et les zones rouges une densité plus élevée. En convertissant les données de phase en variations de masse volumique, il est possible de localiser et de quantifier précisément l’étendue des dommages, tout en fournissant de nouvelles données pour les modèles numériques d’interaction foudre-matériaux développés à l’ONERA. Ces travaux visent à développer une méthode innovante de contrôle non-destructif des composites carbone.
Aéronautique, composites
Le travail se poursuit sur deux axes principaux : l’applicatif, avec une étude paramétrique des foudroiements sur composites carbone, et la méthodologie avec trois volets majeurs :
Collaboration ONERA/CEA-List : PREPEND-X (Plateforme de recherche en imagerie de phase dédié aux essais non-destructifs par rayons X)
“Robust quantitative X-ray phase diagnostic for carbon composite characterisation in the context of lightning induced risk”
Laureen Guitard, Adrien Stolidi, Georges Giakoumakis, Rafael Sousa Martins, Jérôme Primot & Amelie Jarnac Scientific Reports volume 14, Article number:21803 (2024)