Vers le déploiement d'un réseau de capteurs enfouis dans des multi-plis carbone-epoxy pour l'instrumentation in-situ de structures composites pour l'avionique

par Jérôme Lubin

Thèse de doctorat en Micro et nano systèmes

Sous la direction de Thierry Camps.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les matériaux composites à base de fibre carbone suscitent un intérêt grandissant dans l'industrie en général et avionique en particulier. Très appréciés pour leur résistance exceptionnelle aux efforts de traction ils présentent également un poids bien plus faible que les métaux y compris l'aluminium. Cela permet d'envisager la construction d'aéronefs d'une très grande solidité tout en réduisant significativement leur consommation en carburant. Cependant les composites carbone sont relativement fragiles sous des efforts en flexion ou compression. Leur durée de vie est peu connue et dépend fortement de la géométrie des pièces qui sont souvent surdimensionnées par sécurité. Afin de prévenir d'éventuels accidents et conserver des pièces légères il est indispensable d'évaluer leur état de santé. L'objectif de cette thèse est la conception d'une solution d'instrumentation à base de capteurs miniaturisés en technologie silicium sensibles aux vibrations mécaniques et capables de détecter l'apparition d'un défaut dans la structure. Nous développé un procédé de fabrication simple et robuste pour des capteurs dont l'élément sensible est une jonction PN de type Zéner implémentée dans du polysilicium. Nous avons démontré dans un premier temps une sensibilité aux vibrations mécaniques. La capacité de ces capteurs à faire du suivi de réticulation en autoclave a également été démontrée. La phase suivante a concerné l'étude d'un procédé de packaging souple robuste et modulable pour la mise en réseau des capteurs. Enfin la dernière étape concerne l'étude d'un circuit électronique permettant la lecture du signal et la réduction du bruit de fond.

  • Titre traduit

    Towards the deployment of a sensors network, buried within a multi-layered carbon-epoxy component, for in-situ surveillance of aircraft


  • Résumé

    Manufacturers are using more and more carbon fibers composite materials in their structures. The aviation industry in particular is very interested by these new materials. Carbon fibers are capable of sustaining greater axial strain than their metallic equivalents and are lighter. Their properties allow for the design of more robust and lightweight aircrafts which would in turn bring about lots of benefits: longer lifespan, less fuel consumption, etc. For the time being, aircraft components in carbon composites are oversized for security reasons. Carbon fiber composites are not as good at withstanding torsion and flexion as they are at withstanding axial strain. The lifetimes of the components are not well known and investigation results are not easily transferable from one design to another. In order to ensure operational safety while keeping parts lightweight, health monitoring becomes indispensable. The goal of this PhD thesis is to propose a monitoring solution based on small sensors using silicon technology. These sensors are sensitive to mechanical vibrations and can be used to detect the appearance of faults in the structure. We developed a process which is simple yet robust for manufacturing sensors. The sensitive element is a polysilicon Zener PN. First we demonstrate that the sensors are sensitive to mechanical vibrations. Then we demonstrate the usage of our sensors in monitoring the annealing step in autoclave for carbon fiber polymer pieces. Next step consists in the study of a strong and flexible packaging that can be used with any shape of piece. Finally, we studied the electronic circuits able to read the signal and reduce the background noise.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (140 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 140

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0343
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