Cienciaes.com : Nouveaux matériaux pour l’aviation. Nous avons parlé avec Uriel Santoro.

La première fois que je suis monté à bord d’un avion à réaction, je n’ai pu m’empêcher d’être étonné en imaginant les conditions terribles que doivent endurer les matériaux des moteurs qui le propulsent. À l’intérieur des turboréacteurs, d’énormes pressions et des températures élevées sont générées qui doivent être maintenues pendant de nombreuses heures, sans panne, pour la sécurité des passagers. Pour résister à ces conditions, des matériaux très particuliers sont utilisés de par leur résistance et leur fiabilité, matériaux dont l’amélioration fait l’objet d’une recherche continue.

Matériaux composites à matrice céramique (CMC), sont parmi les meilleurs pour remplacer ceux actuellement utilisés dans certaines pièces des turboréacteurs utilisés dans l’aviation. Uriel Santoro, notre invité aujourd’hui sur Talking with Scientists, ingénieur matériaux, nous en parle. CMC (Ceramic Matrix Composite) chez la société américaine General Electric Aviation.

Les moteurs à réaction utilisés dans l’aviation fonctionnent selon un principe très simple, basé sur la troisième loi de Newton ou principe d’action et de réaction. L’air extérieur, qui est à basse pression et température, pénètre par l’avant du moteur où il est comprimé et chauffé. Une partie de l’air est détournée autour de la chambre de combustion et une autre partie y pénètre. Lorsque l’air comprimé atteint la chambre de combustion, le carburant vaporisé est injecté et le mélange s’enflamme. La température monte à plus de 1700ºC, les gaz se dilatent brusquement. Les gaz rejoignent le flux d’air provenant de l’extérieur de la chambre et abaissent sa température. Finalement, les gaz sont éjectés de la tuyère à grande vitesse et la réaction en sens inverse propulse l’avion vers l’avant.

La température produite lors de la combustion pourrait faire fondre les pièces de la turbine du réacteur, actuellement constituées d’alliages de fer et de nickel, si elles n’étaient pas refroidies grâce à un mécanisme combinant le flux de gaz interne et l’air extérieur entourant le réacteur. Ce mécanisme permet une longue durée de vie aux pièces du moteur mais présente l’inconvénient que, lorsque le mélange gazeux refroidit, l’efficacité est perdue et la consommation de carburant augmente. Si les pièces étaient construites avec des matériaux plus résistants aux températures élevées, la perte d’énergie serait moindre et l’efficacité des moteurs augmenterait. C’est ce qui est réalisé grâce au développement de matériaux composites à matrice céramique (CMC).

Uriel Montoro explique ce que CMCs et les propriétés qui ont déjà ouvert la voie à son utilisation dans les moteurs à réaction, dont certaines sont testées dans des avions commerciaux. Les CMCs surpassent les alliages métalliques utilisés jusqu’à présent sous plusieurs aspects. Étant plus résistant aux températures élevées, le CMCEn permettant aux moteurs à réaction de fonctionner à des températures plus élevées, de mieux utiliser l’énergie et d’être plus efficaces, cela permet également de réduire la consommation de carburant. Un autre avantage des matériaux composites à matrice céramique réside dans leur faible densité : étant plus légers, ils permettent d’alléger le poids des composants de la turbine de plus de 50 pour cent. Enfin, les matériaux sont inertes aux rayonnements, ce qui rend possible leur utilisation dans des environnements extrêmes tels que les réacteurs nucléaires et dans les applications spatiales.

Uriel Montoro, en plus des explications sur son travail actuel, raconte à quoi ressemble le parcours du chercheur qui s’oriente vers l’industrie, un chemin largement utilisé par de nombreux scientifiques. Il a étudié la nanotechnologie à Tijuana, au Mexique, puis a poursuivi ses recherches au laboratoire des matériaux extrêmes de l’université de Californie à San Diego. Il est actuellement ingénieur matériaux CMC (Ceramic Matrix Composite) chez General Electric Aviation. Je vous invite à l’écouter.