Les exigences de fiabilité à long terme, de sécurité sans compromis et de légèreté ont fait des plastiques à hautes performances les matériaux de choix pour une multitude d’applications dans l’équipement des engins spatiaux. Les composants usinés ou moulés par injection en Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI, Vespel PI, Ryton R-4 PPS et autres polymères avancés ont prouvé leurs capacités depuis des décennies, et leur acceptation continue de croître parallèlement à l’industrie des engins spatiaux.
Quelles sont les propriétés des plastiques importantes pour les applications des engins spatiaux ?
Les plastiques hautes performances offrent des propriétés qui permettent de relever un certain nombre de défis complexes en matière d’ingénierie et de spécifications des matériaux liés aux applications des engins spatiaux :
- Ductilité et ténacité à des températures cryogéniques
- Maintien de la résistance à proximité des températures élevées des systèmes de propulsion
- Intégrité structurelle permettant de résister à des forces vibratoires extrêmes, depuis le lancement de la fusée jusqu’aux différentes étapes du vol.
- Résistance aux propergols solides et liquides, aux fluides hydrauliques et autres produits chimiques
- Conformité aux normes de sécurité de l’industrie en matière de production de flammes et de fumées
- Faible dégazage sous vide pour éviter le dépôt excessif de condensats chimiques susceptibles de contaminer les composants optiques et les systèmes de précision.
- Maintien de la résistance et de la ductilité après une exposition prolongée aux rayonnements
Quels sont les plastiques haute performance qui possèdent les propriétés requises pour les applications des engins spatiaux ?
Plusieurs polymères avancés ont fait leurs preuves dans les systèmes structurels, électriques, fluides et mécaniques des engins spatiaux. Leurs différences de propriétés et de niveaux de tolérance aux produits chimiques et aux radiations permettent aux ingénieurs de spécifier le matériau optimal pour chaque composant dans son environnement d’exploitation.
Les plastiques hautes performances suivants présentent des propriétés uniques qui conviennent parfaitement aux exigences d’applications spécifiques :
- Le Torlon PAI(polyamide-imide), le Vespel PI (polyimide) et l’Ultem PEI(polyéther-imide) sont des polymères imides qui conservent leur résistance à des niveaux cryogéniques et à des températures extrêmement élevées et qui supportent l’exposition aux radiations.
- Les polymères cétoniques se distinguent par leur résistance chimique. Ils comprennent le PEEK (polyétheréthercétone), le PEK (polyéthercétone) et les PEEK XT et HT PEK haute température.
- Le Ryton R-4 PPS, un polyphénylsulfone contenant 40 % de fibres de verre, est un matériau à haute résistance avec une excellente résistance chimique. Il ne contient aucun solvant connu à moins de 200°C.
- Le PCTFE, un polymère fluoré, est un bon matériau pour les joints cryogéniques dans les systèmes LOX, LH2 et autres gaz liquéfiés. Il présente également un indice limite d’oxygène élevé, ce qui lui permet de répondre aux exigences strictes en matière d’inflammabilité.
- Tous ces produits sont conformes aux normes d’inflammabilité et de production de fumée en vigueur dans l’industrie pour diverses applications.
Note technique : Les PAI, PEEK, PEI Ultem et autres polymères haute performance Torlon sont disponibles dans des grades contenant des fibres de verre ou de carbone qui augmentent la résistance, et des lubrifiants solides qui améliorent les propriétés des roulements et de l’usure.
Quels plastiques résistent à l'exposition aux radiations dans l'espace ?
- L’exposition constante aux radiations dans l’espace peut dégrader certains polymères. Nombre d’entre eux se fragilisent en relativement peu de temps.
- Les PAI, PEEK et PEI Ultem de Torlon conservent leurs propriétés de manière exceptionnelle, même à des niveaux d’exposition aux rayonnements continuellement élevés.
- La résistance aux radiations de ces polymères a été confirmée dans un rapport d’essai de l’American Composites Manufacturing Learning Center, résumé ci-dessous.
- Le Torlon 5030 PAI, un polymère à haute résistance renforcé de verre à 30 %, a été extrudé en pièces et usiné en pièces par Drake Plastics pour servir d’échantillons d’essai. Les pièces en Torlon 5030 ont conservé le niveau requis de propriétés mécaniques pour passer les tests de manière satisfaisante à109 rads , le niveau le plus élevé d’exposition aux tests.
- Victrex PEEK, un autre polymère que Drake Plastics extrude en formes semi-produits à haute performance ainsi qu’en pièces usinées et moulées, a également obtenu la note de passage de 109
- Pièces usinées en PEI Ultem 2300 renforcé de 30 % de verre ont également démontré une rétention impressionnante des propriétés à108
Pourquoi un faible dégagement gazeux est-il important pour les plastiques dans l'industrie des engins spatiaux ?
- Certains plastiques ont tendance à dégazer dans le vide et peuvent libérer des quantités excessives de substances volatiles.
- Ces substances volatiles peuvent contaminer les systèmes critiques des engins spatiaux et obscurcir les éléments optiques et les panneaux solaires, ce qui nuit à leur efficacité.
Quels sont les plastiques qui présentent un faible dégazage sous vide ?
- L’un des avantages des PAI et PEEK de Torlon pour les applications spatiales est qu’ils atténuent les problèmes de dégazage dans le vide qui sont communs à certains plastiques dans l’environnement de vide en apesanteur.
- Les essais réalisés pour la NASA ont confirmé que certaines qualités de Torlon PAI et PEEK peuvent être considérées comme des matériaux à faible dégagement gazeux. Cette qualification est basée sur des niveaux de perte de masse totale (TML) inférieurs à 1 % et un matériau condensable volatil collecté (CVCM) inférieur à 0,1 %.
- La NASA inclut les qualités spécifiques de Torlon PAI et PEEK qui ont été testées, ainsi que les détails des résultats des tests, dans la liste des matériaux à faible dégazage que l’agence tient à jour pour les applications dans les engins spatiaux.
Quels plastiques conservent leur ténacité et leur résistance à des températures cryogéniques dans l'espace ?
- La capacité d’un matériau à conserver sa résistance et sa ténacité à des températures cryogéniques est particulièrement importante pour les mécanismes et les systèmes de déploiement des télescopes et des sondes de l’espace lointain, où l’intégrité des pièces ne peut être compromise.
- Les produits Torlon PAI, Vespel PI, CryoDyn CT-200 PEEK et PCTFE ont tous démontré qu’ils conservaient leur résistance structurelle et leur ductilité à des températures cryogéniques susceptibles de briser de nombreux métaux.
Existe-t-il des données sur les propriétés cryogéniques des plastiques ?
- L’un des principaux facteurs expliquant le choix des PAI, PCTFE et PEEK de Torlon pour les composants des engins spatiaux est leur capacité à conserver leurs propriétés mécaniques dans des environnements cryogéniques.
- Les données des essais cryogéniques démontrent que les trois polymères conservent un niveau élevé de propriétés de traction et de résistance mécanique dans ces conditions.
- La ductilité du PAI, du PCTFE et du PEEK de Torlon à des températures cryogéniques en fait des candidats de choix pour les applications susceptibles de se briser à la suite d’impacts accidentels ou de charges ponctuelles physiques élevées.
Quelles sont les applications typiques des plastiques haute performance dans les engins spatiaux ?
- Les engrenages sectoriels en Torlon 7130, très résistant et indéformable, permettent de déployer en toute fiabilité les panneaux solaires des satellites.
- Les isolateurs et isolateurs en Torlon 5030 et PEEK sont d’excellents isolateurs et isolateurs thermiques et électriques.
- Le matériel de montage en Torlon PAI et PEEK permet de fixer divers appareils, notamment des antennes, des fenêtres, des systèmes de tuyauterie de fluides et de gaz et des panneaux d’isolation.
- Les fixations et les vis en Torlon 4203 résistent à la dégradation due aux radiations, conservent une grande résistance et sont beaucoup plus légères que les pièces métalliques.
- Les composants satellites en PEI Ultem offrent une grande résistance et un blindage EMI/RFI.
- Les cales d’usure en grades de PEEK et de Torlon PAI maintiennent la fonctionnalité des systèmes de positionnement par propulsion des satellites en orbite.
- Les joints des soupapes d’oxydation et les bagues des moteurs de fusée font appel au Torlon 4301 pour sa résistance chimique, sa solidité et sa stabilité dans les composants soumis à des vibrations extrêmes à des températures élevées.
Les plastiques haute performance soutiennent les innovations technologiques
Les exigences critiques en matière de fiabilité à long terme, de sécurité sans compromis et de légèreté ont fait des plastiques haute performance les matériaux de prédilection pour une multitude d’applications dans l’équipement des engins spatiaux.
Les entreprises spécialisées dans les polymères avancés travaillent en étroite collaboration avec les ingénieurs sur des applications innovantes qui tirent parti des avantages de ces matériaux. Drake Plastics, par exemple, collabore avec les principaux équipementiers d’engins spatiaux pour développer des composants de nouvelle génération en PAI Torlon, PEEK, PEI Ultem, PI Vespel, PPS Ryton R-4 et autres polymères. L’entreprise extrude des pièces extrudées, développe des configurations de formes personnalisées et produit des pièces usinées et moulées par injection dans ces plastiques haute performance pour différents secteurs de l’industrie. Les polymères ont prouvé leur fiabilité dans les applications aérospatiales depuis des décennies, et leur acceptation continue de s’étendre à mesure que l’industrie des engins spatiaux se développe et innove dans le domaine de la technologie.
FAQ sur les plastiques haute performance dans l'industrie des engins spatiaux
Pourquoi le dégazage est-il un problème pour les applications spatiales ?
- Certains polymères ont tendance à dégazer, ce qui peut se produire dans des conditions de vide, créant des condensats qui nuisent aux performances des systèmes critiques, des éléments optiques et des surfaces des capteurs solaires.
- Sur la base de ces essais, la NASA a inclus des grades spécifiques de Torlon PAI et PEEK dans sa liste de matériaux acceptables à faible dégagement gazeux pour les composants des engins spatiaux.
Quels types d'applications nécessitent des plastiques de qualité cryogénique ?
- Les activités de réparation et d'entretien extra-véhiculaires peuvent exposer les composants à des dommages éventuels en raison de l'étroitesse des espaces de travail en apesanteur et dans des conditions de froid extrême.
- Les plastiques qui résistent aux charges mécaniques sont également importants pour les appareils d'amarrage et de déploiement utilisés dans l'espace lointain.
- Les systèmes à propergol liquide nécessitent des matériaux dotés de solides propriétés d'étanchéité à des températures cryogéniques.
Quels sont les exemples de polymères qui fonctionnent bien à des températures cryogéniques ?
- Le Torlon PAI, le PEEK et le PEEK de qualité cryogénique conservent tous une résistance et une ductilité élevées dans des conditions cryogéniques.
- Le PCTFE et le polymère PEEK cryogénique sont particulièrement bien adaptés aux applications de joints cryogéniques pour les systèmes de propulsion et de refroidissement des gaz liquéfiés.
Quels sont les avantages de spécifier des plastiques à hautes performances qui peuvent être à la fois usinés et moulés par injection ?
- Les applications commencent souvent par des pièces usinées lorsque les volumes de production sont faibles, et passent au moulage par injection lorsque les volumes unitaires justifient le coût de l'outillage.
- La possibilité d'effectuer la transition dans le même matériau peut éliminer ou réduire le temps et le coût de validation de la spécification du matériau pour les composants moulés par injection.