EP0424216B1 - Matériau composite, son procédé de réalisation et utilisation dudit matériau - Google Patents

Matériau composite, son procédé de réalisation et utilisation dudit matériau Download PDF

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EP0424216B1
EP0424216B1 EP90402823A EP90402823A EP0424216B1 EP 0424216 B1 EP0424216 B1 EP 0424216B1 EP 90402823 A EP90402823 A EP 90402823A EP 90402823 A EP90402823 A EP 90402823A EP 0424216 B1 EP0424216 B1 EP 0424216B1
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resin
fabric
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Jacques Loustalot
Jacques Baudonnel
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Industrielle Des Ets La Chaignaud-Silac Ste
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Industrielle Des Ets La Chaignaud-Silac Ste
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D03—WEAVING
    • D03D—WOVEN FABRICS; METHODS OF WEAVING; LOOMS
    • D03D25/00—Woven fabrics not otherwise provided for
    • D03D25/005—Three-dimensional woven fabrics

Definitions

  • the present invention relates to a composite material.
  • the composite material is a heterogeneous substance generally comprising fibers, threads, free or assembled in layers, embedded in a resin.
  • These composite materials are generally in the form of large, fairly rigid thick plates. They are more and more used in industry, especially in the industry of construction of equipment, capital goods, transport, etc. to make bodywork, floors, etc.
  • a production method consists in assembling in layers or strata textile fabrics of fibers or reinforcing threads with high mechanical characteristics such as: glass, silica, silicon carbide, carbon, ceramic, aramides, high modulus polyethylene, etc., and to drown them in a resin matrix.
  • a base of resin and release agent is poured into a mold the size of a plate; above, a first layer of fabric is placed, made of reinforcing fiber threads for example, which is covered with resin; above, a second layer of fabric is placed in high-resistance reinforcing threads, which are also covered with resin; so on, several layers are stacked, for example five or six which are covered with resin, and the stacking is completed with a last layer of resin and a release agent.
  • This assembly is then subjected to a compression action intended to eliminate the maximum of air and to make the resin penetrate into the layers of fabrics, then a heat treatment which crosslinks or polymerizes the resin in order to obtain a rigid composite and the most homogeneous whole possible.
  • These composite materials can comprise up to more than forty layers each with a thickness of the order of 0.1 to 0.2 millimeters; the most common have from one to fifteen layers and are of average total thickness between 3 and 5 millimeters after compression and ready to use. Their weight is around 200 grams / m2 for a 0.1 mm thick layer of glass.
  • the material obtained is a composite product with high resistance, in particular to impact, traction, compression.
  • a fabric is a textile structure formed by an assembly of so-called warp threads assembled in so-called weft threads.
  • This structure extends in a plane, the thickness of which is limited to that of the wire or wires used, dimension negligible in relation to the surface of the fabric.
  • One of the usual characteristics of fabrics is their non-deformability in plan, which can be a quality or a defect depending on the use made of them. It is well known that the deformation of a fabric to give it a shape produces folds, the fabric not being capable of deforming elastically due to its structure. Confection is then the art of assembling pieces of fabric so as to hold forms, whether in the clothing industry or any other industry. This is why, when making composite materials, assembling the layers of fabrics also consists in arranging strips of fabrics so as to promote the production of shapes, without producing folds.
  • the document EP 0 258 102 describes a laminated material having a cross section of the type comprising a core and at least one lateral wing, for example an I, T, J section, or the like. Said material is obtained by impregnating a textile structure for strengthening and hardening the assembly. Said textile structure is of the type comprising two plies A, B, woven, spaced from one another, and a connecting ply C extending between these two plies A, B. Said connecting ply C consists of at least one ply of tying warp threads, trapped between the weft threads of the two woven plies A, B.
  • the aim of the present invention is to produce a composite material according to a process which solves all of the difficulties described: mechanization, speed of production, high deformability, resistance to delamination, homogeneity, costs.
  • the subject of the invention is a material produced from threads previously associated with a thermoplastic resin, in which the threads are assembled in the form of a thick fabric comprising several series of warp threads extending parallel to one another and being vertically overlapping to form a thick sheet which extends in three dimensions, characterized in that that weft threads are passed alternately through warp threads of different levels (2a, 2b, 2c) so as to impart great deformability to the fabric with a view in particular to allowing it to be wound up.
  • the subject of the invention is also a method of manufacturing armor plates or the like for the production of bodies, floors or the like, from a material according to the invention, characterized by a step of heat treatment in a mold followed by a stamping step.
  • the fabric 1 comprises several series of 2 warp threads 2 extending parallel to each other.
  • the fabric has 5 series of warp threads 2a to 2e.
  • Each chain is horizontal, the series overlap vertically, forming a thick sheet, which extends in the three dimensions.
  • the weft threads 3 are passed alternately through these warp threads and, depending on the choice, alternate between the thread of the first level 2a and the thread of the second 2b, or of the third 2c etc.
  • the weaving can be modulated according to the effect which one wants to give to the fabric.
  • the threads are previously associated with the resin, that is to say that they comprise both reinforcing fibers and their matrix or resin.
  • This "entrainment” is obtained either by intimate mixing in the wire, of reinforcing fibers and of resin presented in the form of fibers, or by coating of reinforcing wires with a sheath of resin.
  • the weaving is carried out with threads comprising only reinforcing fibers, free of resin.
  • the son-resin association, or “enresinement” is here a coating of the fabric; it is produced after passing through the loom by application with a brush, spraying, injection, or any other known technique.
  • the first variant is advantageous in that it gives in a single operation a flexible material which can be immediately rolled up, or cut into panels, and constitutes a finished product ready to be used.
  • the coating obtained must then undergo a heat treatment followed or not by compaction intended to melt the resin, to give this coating the desired shape and then to give it great rigidity.
  • a three-dimensional fabric was produced with composite yarns of 60% glass, 40% PEEK, and the heat treatment and stamping gives armor plates.

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Description

  • La présente invention concerne un matériau composite.
  • Le matériau composite est une substance hétérogène comportant généralement des fibres, des fils, libres ou assemblés en couches, noyés dans une résine.
  • Ces matériaux composites se présentent généralement sous forme de grandes plaques épaisses assez rigides. Elles sont de plus en plus utilisées dans l'industrie notamment dans l'industrie de construction de matériels de biens d'équipement, de transport, etc... pour réaliser des carosseries, des planchers, etc.
  • Ces plaques sont transformées, selon les techniques traditionnelles par moulage par contact ou sous vide, par injection et selon une technique plus récente, par estampage.
  • Généralement un procédé de réalisation consiste à assembler en couches ou strates des étoffes textiles de fibres ou de fils de renfort à hautes caractéristiques mécaniques telles que : verre, silice, carbure de silicium, carbone, céramique, aramides, polyéthylène haut module, etc, et à les noyer dans une matrice de résine. Plus précisément, on coule dans un moule de la dimension d'une plaque un fond de résine et d'agent de démoulage; par dessus on pose une première couche d'étoffe, en fils de fibres de renfort par exemple, que l'on recouvre de résine; par dessus on pose une seconde couche d'étoffe en fils de renfort à haute résistance, que l'on recouvre également de résine; ainsi de suite on "empile" plusieurs couches, par exemple cinq ou six que l'on recouvre de résine, et on achève l'empilage par une dernière couche de résine et un agent de démoulage. On fait ensuite subir à cet ensemble une action de compression destinée à éliminer le maximum d'air et à faire pénétrer la résine dans les couches d'étoffes, puis un traitement thermique qui réticule ou polymérise la résine afin d'obtenir un composite rigide et un ensemble le plus homogène possible. Ces matériaux composites peuvent comporter jusqu'à plus de quarante couches chacune d'une épaisseur de l'ordre de 0,1 à 0,2 millimètre; les plus courants comptent de une à quinze couches et sont d'épaisseur totale moyenne entre 3 et 5 millimètre après compression et prêts à l'emploi. Leur poids est de l'ordre de 200 grammes/m2 pour une couche de 0,1 mm d'épaisseur en verre. Le matériau obtenu est un produit composite à haute résistance notamment aux chocs, à la traction, à la compression.
  • Cependant un tel procédé présente de nombreux inconvénients:
    • 1- il est coûteux : le matériel nécessaire à sa mécanisation est très coûteux, et généralement les opérations sont manuelles, ce qui suppose une main-d'oeuvre importante; d'autre part il est long : les étapes de réalisation sont nombreuses;
    • 2- le matériau obtenu présente une faible résistance au cisaillement : on observe du délaminage. Le phénomène s'explique par le fait que les couches de tissus renferment des bulles d'air qui ne sont pas chassées par la résine. Ces bulles forment autant de petits matelas d'air qui réduisent le contact couche-résine et l'adhérence entre les couches.
    • 3- l'homogénéité recherchée par le traitement thermique, (imprégnation, polymérisation) est difficile à obtenir en une durée raisonnable, du fait de l'épaisseur du matériau ce qui accentue le délaminage.
  • D'autre part et d'une manière très générale un tissu est une structure textile formée d'un assemblage de fils dits de chaîne assemblés dans des fils dits de trame. Cette structure s'étend dans un plan, dont l'épaisseur est limitée à celle du ou des fils utilisés, dimension négligeable relativement à la surface du tissu. Une des caractéristiques habituelles des tissus est leur indéformabilité dans le plan, qui peut être une qualité ou un défaut selon l'utilisation qui en est faite. On sait bien que la déformation d'un tissu pour lui donner une forme, produit des plis, le tissu n'étant pas susceptible de se déformer élastiquement de par sa structure. La confection est alors l'art d'assembler des pièces de tissu de manière à détenir des formes, que ce soit dans l'industrie vestimentaire ou toute autre industrie. C'est pourquoi, lorsque l'on réalise des matériaux composites, l'assemblage des couches de tissus consiste également à disposer des bandes de tissus de manière à favoriser la réalisation de formes, sans produire de plis.
  • Le document EP 0 258 102 décrit un matériau stratifié ayant une section transversale du type comprenant une âme et au moins une aile latérale, par exemple une section en I, T, J, ou analogues. Ledit matériau est obtenu par imprégnation d'une structure textile de renforcement et durcissement de l'ensemble. Ladite structure textile est du type comportant deux nappes A, B, tissées, espacées l'une de l'autre, et une nappe de liaison C s'étendant entre ces deux nappes A, B. Ladite nappe de liaison C est constituée d'au moins une nappe de fils de chaîne de liage, emprisonnés entre les fils de trame des deux nappes tissées A, B.
  • La présente invention a pour objectif de réaliser un matériau composite selon un procédé qui résoud l'ensemble des difficultés exposées : mécanisation, rapidité de réalisation, grande déformabilité, résistance au délaminage, homogénéité, coûts.
  • L'invention a pour objet un matériau réalisé à partir de fils préalablement associés à une résine thermoplastique, dans lequel les fils sont assemblés sous forme d'un tissu épais comportant plusieurs séries de fils de chaîne s'étendant parallèlement les uns des autres et se superposant verticalement en formant une feuille épaisse qui s'étend dans les trois dimensions, caractérisé en ce que des fils de trame sont passés alternativement dans des fils de chaîne de niveaux différents (2a, 2b, 2c) de manière à conférer une grande déformabilité au tissu en vue notamment de permettre son enroulement.
  • Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
    • les fils sont associés à la résine par un mélange intime dans les fils de fibres de renfort et de résine.
    • chaque fil est enrobé par une gaine de résine.
    • le tissu en trois dimensions est réalisé avec des fils composites à 60% de verre et 40% de PEEK.
  • L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de plaques de blindage ou produits analogues pour la réalisation de carrosseries, de planchers ou analogues, à partir d'un matériau selon l'invention, caractérisé par une étape de traitement à chaud dans un moule suivie d'une étape d'estampage.
  • Afin de mieux comprendre l'invention on a représenté au dessin annexé un exemple non limitatif de matériau selon l'invention.
  • Comme on le voit sur le dessin, le tissu 1 comporte plusieurs séries de 2 fils de chaîne 2 s'étendant parallèlement les uns des autres. Dans l'exemple le tissu comporte 5 séries de fils de chaîne 2a à 2e. Chaque chaîne est horizontale, les séries se superposent verticalement, formant une feuille épaisse, qui s'étend dans les trois dimensions. Les fils de trame 3 sont passés alternativement dans ces fils de chaîne et, selon le choix, alternent entre le fil du premier niveau 2a et le fil du second 2b, ou du troisième 2c etc.
  • Le tissage peut être modulé selon l'effet que l'on veut donner au tissu.
  • Un tel procédé donne un tissu épais, homogène dans son épaisseur puisque réalisé d'un seul tenant. D'autre part, le fait de tisser en trois dimensions confère à ce tissu une grande déformabilité, par déformation interne.
  • Dans une première variante de réalisation les fils sont préalablement associés à la résine, c'est-à-dire qu'ils comprennent à la fois des fibres de renfort et leur matrice ou résine. Cet "enresinement" est obtenu soit par mélange intime dans le fil, de fibres de renfort et de résine présentée sous forme de fibres, soit par enrobage de fils de renfort par une gaine de résine.
  • Dans une deuxième variante le tissage est réalisé avec des fils ne comportant que des fibres de renfort, exempts de résine. L'association fils-résine, ou "enresinement" est ici un enrobage du tissu; il est réalisé après passage dans le métier à tisser par application au pinceau, pulvérisation, injection, ou toute autre technique connue.
  • La première variante est avantageuse en ce qu'elle donne en une seule opération un matériau souple qui peut être immédiatement enroulé, ou découpé en panneaux, et constitue un produit fini prêt à être utilisé.
  • Le revêtement obtenu doit ensuite subir un traitement thermique suivi ou non d'un compactage destiné à faire fondre la résine, à donner à ce revêtement la forme désirée et à lui donner ensuite une grande rigidité.
  • A titre d'exemple de réalisation on a réalisé un tissu en trois dimensions avec des fils composites à 60% de verre, 40% PEEK, et le traitement à chaud et un estampage donne des plaques de blindage.
  • L'invention apporte entre autre les avantages considérables suivants :
    • l'ensemble tridimensionnel est d'une parfaite homogénéité;
    • le tissage en profondeur supprime les couches successives il ne peut plus y avoir de délaminage;
    • après traitement thermique la présence de bulles d'air entre les fils tissés n'a pas d'influence défavorable sur les caractéristiques de résistance : cette opération peut alors être considérablement simplifiée.
    • le matériau peut être plus ou moins comprimé ce qui permet de réaliser très facilement des empreintes qui restent souples;
    • le matériau est d'une très grande légèreté; par rapport aux matériaux traditionnels à épaisseur comparable. On peut estimer un gain de poids de l'ordre de 20%.

Claims (5)

  1. Matériau réalisé à partir de fils préalablement associés à une résine thermoplastique, dans lequel les fils sont assemblés sous forme d'un tissu (1) épais comportant plusieurs séries de fils de chaîne (2) s'étendant parallèlement les uns des autres et se superposant verticalement en formant une feuille épaisse qui s'étend dans les trois dimensions, caractérisé en ce que des fils de trame (3) sont passés alternativement dans des fils de chaîne de niveaux différents (2a, 2b, 2c) de manière à conférer une grande déformabilité au tissu en vue notamment de permettre son enroulement.
  2. Matériau selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fils sont associés à la résine par un mélange intime dans les fils de fibres de renfort et de résine.
  3. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque fil est enrobé par une gaine de résine.
  4. Matériau selon la revendication 1 caractérisé en ce que le tissu en trois dimensions est réalisé avec des fils composites à 60% de verre et 40% de PEEK.
  5. Procédé de fabrication de plaques de blindage ou produits analogues pour la réalisation de carrosseries, de planchers ou analogues, à partir d'un matériau selon la revendication 1, caractérisé par une étape de traitement à chaud dans un moule suivie d'une étape d'estampage.
EP90402823A 1989-10-16 1990-10-10 Matériau composite, son procédé de réalisation et utilisation dudit matériau Expired - Lifetime EP0424216B1 (fr)

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