REALISATION D'UN PREIMPREGNE FIBRES/METAL OU MINERAL POUR LA REALISATION D'OBJETS COMPOSITES DE HAUTE PERFORMANCE. Les objets composites"haut de gamme" sont des objets utilisés dans des secteurs de pointe pour lesquels la tenue en température est importante (pièces moteurs).PRODUCTION OF A FIBER / METAL OR MINERAL PREPREGNE FOR THE PRODUCTION OF HIGH PERFORMANCE COMPOSITE OBJECTS. "High-end" composite objects are objects used in advanced sectors for which temperature resistance is important (engine parts).
Les composites actuels sont réalisés avec des matrices soit polymériques pouvant permettre des températures continues jusqu'à 300° C. avec des polymères de type époxydiques (200°C.) ou PEEK (polyether ethercétone), soit des matrices hautes températures tel que le carbone (I.200°C). Les matrices métalliques ou minérales tel l'aluminium existent mais la réalisation des pièces complexes pose des problèmes de technologies de mise en oeuvre, ces métaux devant être utilisée en fusion ou en vaporisation.Current composites are produced with either polymeric matrices which can allow continuous temperatures up to 300 ° C. with polymers of the epoxy (200 ° C.) or PEEK (polyether etherketone) type, or high temperature matrices such as carbon. (I.200 ° C). Metallic or mineral matrices such as aluminum exist, but the production of complex parts poses problems of processing technologies, these metals having to be used in fusion or in vaporization.
Les technologies existantes connues sont peu applicables. Il faut en effet réaliser l'objet fibre et essayer de faire pénétrer la matrice par pression au sein des fibres unitaires. L'interpénétration au niveau de la fibre unitaire est complexe et pas toujours réalisée. Or, un composite est d'autant plus résistant 'que cette interpénétration est meilleure.Known existing technologies are not very applicable. It is indeed necessary to make the fiber object and try to make the matrix penetrate by pressure within the unitary fibers. Interpenetration at the level of the unitary fiber is complex and not always carried out. However, a composite is all the more resistant as this interpenetration is better.
Le but de la présente invention est de réaliser cette interpénétration à priori pour que lors de la fusion toute fibre unitaire soit enrobée suivie d'un gainage de protection. Pour ce faire, on procède par les étapes suivantes:The object of the present invention is to carry out this interpenetration a priori so that during the fusion any unitary fiber is coated followed by a protective cladding. To do this, we proceed by the following steps:
- Introduction des grains de poudre du métal ou du minéral envisagé comme matrice au sein de la mèche de fibres continues.- Introduction of grains of powder of the metal or mineral envisaged as a matrix within the wick of continuous fibers.
- Celle-ci aura été auparavant épanouie par un système d' embarrage pour aller jusqueà la séparation des fibres unitaires pour permettre à la poudre de se répartir.- This will have previously been expanded by a tying system to go as far as the separation of the unit fibers to allow the powder to be distributed.
Ces particules se trouvant autour de chaque fibre individuelle de la mèche du fait de charges électrostatiques. Ce phénomène est étudié en fonction des fibres et des matrices envisagées. Il pourra s'agir de charger les fibres pour attirer la poudre ou de charger la poudre en mettant les fibres à la masse suivant les types utilisés. Cette mèche chargée de poudre et imprégnée à coeur reçoit
alors par guipage, enduction ou filage une enveloppe extérieure continue laissant les grains de poudre libres de jouer avec les fibres à l'intérieur d'elle-même. Grâce à ce procédé, il est possible d'obtenir des matériaux, un profilé restant souple qui peut se prêter à toutes opérations d'enroulement filamentaire, tissage, tressage, tricotage ouvrant des possibilités qui n'existeraient pas si par exemple les fibres avaient reçu un gainage de produit en fusion puisque le composite aurait déjà été réalisé et que le résultat final serait rigide.These particles being around each individual fiber of the wick due to electrostatic charges. This phenomenon is studied as a function of the fibers and matrices envisaged. It may be a question of loading the fibers to attract the powder or of loading the powder by grounding the fibers according to the types used. This wick charged with powder and impregnated to the heart receives then by covering, coating or spinning a continuous outer envelope leaving the grains of powder free to play with the fibers inside itself. Thanks to this process, it is possible to obtain materials, a profile remaining flexible which can lend itself to all operations of filament winding, weaving, braiding, knitting opening possibilities which would not exist if for example the fibers had received sheathing of the molten product since the composite would have already been produced and the final result would be rigid.
Il est possible d'obtenir un matériau préimprégné présentant des taux matrices/fibres variables qui, suivant les besoins technologiques actuels varieront en volume de 40 à 80% de fibres.It is possible to obtain a prepreg material having variable matrix / fiber ratios which, depending on current technological needs, will vary in volume from 40 to 80% of fibers.
Les fibres de renforcements seront des fibres ayant des tenues en températures compatibles avec la matrice métallique envisagée, telles que fibres de carbure de silicium, fibres d'alumine ou fibre de carbone. Les métaux envisagés seront fonction de l'application choisie et existant sous forme de poudre dont les granulométries seront de l'ordre de la grandeur de la fibre envisagée, c'est-à-dire de 5 à 20 microns. Conviennent particulièrement pour la mise en oeuvre de l' invention des poudres d'aluminium, mais il est bien entendu que d'autres poudres métalliques telles que fer, plomb, cuivre, étain, magnésium, zinc ou alliages peuvent convenir. Le recouvrement des mèches continues chargées de poudre métallique qui est une caractéristique de l'invention, est tel qu'ilsopère sans porter à la fusion les particules de métal imprégnant la mèche.The reinforcing fibers will be fibers having temperature resistance compatible with the metal matrix envisaged, such as silicon carbide fibers, alumina fibers or carbon fiber. The metals envisaged will depend on the application chosen and existing in powder form, the particle sizes of which will be of the order of the magnitude of the fiber envisaged, that is to say from 5 to 20 microns. Particularly suitable for the implementation of the invention of aluminum powders, but it is understood that other metallic powders such as iron, lead, copper, tin, magnesium, zinc or alloys may be suitable. The covering of continuous wicks loaded with metallic powder, which is a characteristic of the invention, is such that they operate without causing the metal particles impregnating the wick to melt.
On utilise: - soit un guipage de fil continu constitué du même métal que la poudre , - soit un passage dans un métal en fusion à plus bas point de fusion que la poudre métallique introduite.We use: - either a covering of continuous wire made of the same metal as the powder, - or a passage in a molten metal with a lower melting point than the metal powder introduced.
Pour que l'intérêt de l'invention subsiste, c'est-à-dire que la souplesse soit conservée, il faut que le métal soit suffisamment malléable et que le gainage atteigne une épaisseur la plus réduite possible (de 5 à 20 microns);
exemple: cuivre.For the interest of the invention to remain, that is to say that the flexibility is preserved, the metal must be sufficiently malleable and the sheathing reaches a thickness as small as possible (from 5 to 20 microns) ; example: copper.
Il faut également que ce métal soit compatible avec le métal de base constituant la poudre pour que le composite final conserve des propriétés telles que tenue en température ou résistance chimique,This metal must also be compatible with the base metal constituting the powder so that the final composite retains properties such as temperature resistance or chemical resistance,
- soit par filage suivant les mêmes principes que ceux évoqués dans le chapitre précédent.- or by wiring according to the same principles as those mentioned in the previous chapter.
- soit par extrusion d'une gaine de matériaux tels que des polymères. Ce matériau sera éliminé par calcination lors de la fabrication de la pièce composite avant fusion de la matrice métallique. Dans le cas d'enroulement filamentaire, par exemple, les deux processus pouvant se faire au défilé et en continu. Une autre caractéristique de la présente invention est de décrire un dispositif permettant de réaliser l'objet de la présente invention qui est de recouvrir des mèches.- Either by extrusion of a sheath of materials such as polymers. This material will be removed by calcination during the manufacture of the composite part before melting of the metal matrix. In the case of filament winding, for example, the two processes can be done in the parade and continuously. Another characteristic of the present invention is to describe a device making it possible to achieve the object of the present invention which is to cover wicks.
Ce dispositif non limitatif consiste en:This non-limiting device consists of:
EXEMPLE I. Un recouvrement par guipage d'une mèche de silicate d'alumine chargée de poudre d'aluminium filé, également produit par Péchiney.EXAMPLE I. A covering by covering with a wick of alumina silicate charged with spun aluminum powder, also produced by Péchiney.
Les caractéristiques des produits sont les suivantes:The product features are as follows:
(1) Fibre: Silicate d'alumine de SUMITOMO. 1.000 filaments de diamètre unitaire du filament 17 microns.(1) Fiber: SUMITOMO alumina silicate. 1,000 filaments with a unit diameter of the 17 micron filament.
Densité: 3.25.Density: 3.25.
(2) Poudre: Aluminium stabilisé Y X 16 de Péchiney de gra:nulometrie moyenne de 20 microns. (3) Gaine: Fil d'aluminium produit par les ateliers de Commercy.(2) Powder: Stabilized aluminum Y X 16 from Péchiney de gra: average nanometry of 20 microns. (3) Sheath: Aluminum wire produced by the Commercy workshops.
Vitesse de guipage sur avancement de la fibre: 4 m/minute.Gimping speed on advancement of the fiber: 4 m / minute.
Le profilé souple obtenu répond à l'analyse suivante: Fibre: 50% en volumeThe flexible profile obtained meets the following analysis: Fiber: 50% by volume
Poudre d'aluminium: 35% en volume Gaine: 15% en volumeAluminum powder: 35% by volume Sheath: 15% by volume
EXEMPLE II.EXAMPLE II.
On utilise le matériau faisant l'objet de l'invention pour réaliser un tube par la technique de l'enroulement
filamentaire.The material forming the subject of the invention is used to make a tube by the winding technique filamentary.
Dans ce cas, le fil préimprégné se déroule suivant un chemin angulaire de 54º pour se bobiner sur une matrice céramique . La fusion et donc le collage du produit sur lui-même se fait à l'endroit de l'application du profilé sur lui-même par un inducteur en atmosphère réductrice supérieur de 100° au point de fusion de l'aluminium . Lors de la fusion, le métal reprend sa fluidité et se diffuse au milieu des fibres - vitesse d'avancement: 5 mètres/minute.In this case, the prepreg wire unwinds along an angular path of 54º to wind on a ceramic matrix. The fusion and therefore the bonding of the product on itself is done at the place of application of the profile on itself by an inductor in a reducing atmosphere greater than 100 ° to the melting point of aluminum. During fusion, the metal regains its fluidity and diffuses through the fibers - forward speed: 5 meters / minute.
Pour accélérer la vitesse d'application, un préchauffage du préimprégné peut être envisagé» Sans ce renforcement, un tel tube n'aurait en métal seul qu'une résistance circonferentielle moitié de sa résistance longitudinale.To accelerate the speed of application, preheating of the prepreg can be envisaged. Without this reinforcement, such a tube would have only a circumferential resistance in metal only half of its longitudinal resistance.
Par ce renfort, la résistance circonferentielle peut être multipliée par deux et permettra donc de réduire les épaisseurs de métal de l'objet final, d'où allégement lié à la résistance thermique utile dans des applications aéronautiques, par exemple. EXEMPLE III.By this reinforcement, the circumferential resistance can be multiplied by two and will therefore make it possible to reduce the metal thicknesses of the final object, hence reduction linked to the thermal resistance useful in aeronautical applications, for example. EXAMPLE III.
1. Fibre de carbone TORAYA 6.000 filaments.1. TORAYA carbon fiber 6,000 filaments.
2. Poudres sous forme de poudre de carbone de 3 microns. 3. Gainage par extrusion d'un polyamide en continu autour du préimprégné.2. Powders in the form of 3 micron carbon powder. 3. Sheathing by extrusion of a polyamide continuously around the prepreg.
Réalisation d'un empilement après tissage de cette fibre et.-carbonisation de l'ensemble sous vide suivant les techniques connues.
Realization of a stack after weaving of this fiber and carbonization of the assembly under vacuum according to known techniques.