EP1814936A1 - Materiau composite compose d'une matrice organique chargee par des particules non oxydes et des particules oxydes - Google Patents

Materiau composite compose d'une matrice organique chargee par des particules non oxydes et des particules oxydes

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Publication number
EP1814936A1
EP1814936A1 EP05815122A EP05815122A EP1814936A1 EP 1814936 A1 EP1814936 A1 EP 1814936A1 EP 05815122 A EP05815122 A EP 05815122A EP 05815122 A EP05815122 A EP 05815122A EP 1814936 A1 EP1814936 A1 EP 1814936A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
composite material
oxide particles
material according
particles
organic matrix
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05815122A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Yves Clarino
Cyrille Saulnier
Gérard Bienvenu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CCN
Original Assignee
CCN
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Filing date
Publication date
Application filed by CCN filed Critical CCN
Publication of EP1814936A1 publication Critical patent/EP1814936A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/20—Compounding polymers with additives, e.g. colouring
    • C08J3/203—Solid polymers with solid and/or liquid additives

Definitions

  • Composite material composed of an organic matrix loaded with non-oxide particles and oxide particles.
  • the invention relates to a composite material comprising an organic matrix chosen from the family of thermoplastic polymers and the family of thermosetting polymers and in which mineral particles are uniformly distributed.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a composite material, a mechanical part and the use of such a mechanical part.
  • Aluminum alloys are generally used in the automotive field and in particular for producing mechanical parts “engine” and “engine environment”. Indeed, aluminum alloys, compared to other metal alloys, have a good "cost / weight gain” ratio. By Moreover, the processing capacity of such alloys is relatively high for lower costs and they are very easy to implement, especially in mass production.
  • the implementation of such alloys is, for example, carried out by forming, by pressure casting, by gravity, by mechanical machining and / or by treatments such as heat or surface treatments.
  • aluminum alloys From a mechanical and chemical point of view, aluminum alloys have good low temperature mechanical properties (from -250 to + 250 ° C), such as elasticity, toughness, ductility and resilience. They also have good vibration absorption capacity and are resistant to a large majority of chemical agents and corrosion. They have, in addition, a very low price index. But in the majority of cases, aluminum alloys, after processing or implementation, must be machined mechanically. However, this machining step generally represents one third of the cost price of the finished product.
  • the purpose of the invention is a composite material capable of replacing metal alloys and more particularly aluminum alloys, to produce mechanical parts requiring good mechanical, chemical and thermal performance, while being easy to implement and inexpensive to manufacture.
  • FIGS. 1 to 30 show various embodiments. mechanical parts according to the invention.
  • a composite material according to the invention comprises an organic matrix in which mineral particles comprising non-oxide particles and oxide particles are uniformly distributed.
  • the organic matrix is chosen from the family of thermoplastic polymers and the family of thermosetting polymers and is preferably constituted by a polar polymer.
  • the organic matrix is, for example, constituted by a thermosetting polymer selected from among others. phenol-formaldehyde resins and epoxy resins or else a thermoplastic polymer chosen from polyether ether ketone resins, polyaryletherketones, polyarylamides, polyamides, polyphenylenesulfides and polyurethanes.
  • the organic matrix may also include organic or inorganic fillers such as carbon fibers or glass fibers.
  • the polymer of the organic matrix is preferably chosen so as to withstand temperatures ranging from -50 ° C. to at least +180 ° C.
  • the non-oxide particles are quasi-spherical and have a particle size range of between 0.01 ⁇ m and 4 ⁇ m and preferably between 0.1 ⁇ m and 1 ⁇ m. More particularly, the non-oxide particles are ceramics consisting of carbides, nitrides and / or carbonitrides of a refractory metal or a mixture of refractory metals chosen, for example, from titanium, zirconium, hafnium, tantalum, niobium, tungsten, molybdenum, boron and silicon. Preferably, the proportion by weight of the non-oxide particles is less than or equal to 60% relative to the total weight of the composite material.
  • the ceramic particles are preferably obtained by a self-propelled combustion synthesis process, better known by the acronym SHS ("Self-heating synthesis") as described in the patent application WO-A-9947454.
  • SHS Self-heating synthesis
  • Such a synthesis method allows, in fact, to obtain particles of carbides, nitrides and / or carbonitrides of at least one refractory metal and more particularly of titanium, zirconium and / or hafnium, said particles being very regular, quasi-spherical and very hard.
  • the hardness of the particles thus synthesized is in fact between 1600Hv and 3200Hv.
  • the non-oxide particles synthesized are very fine, of very high purity and they preferably have a density of between 4 and 15.
  • the non-oxide particles have, moreover, the advantage of being compatible and of having a good affinity with the polymers, and more particularly with the polar polymers.
  • the non-oxide particles provide a large specific surface area for the organic matrix. This facilitates, then, the physicochemical and mechanical interactions with the polymer.
  • the distances between the particles are significantly reduced, thus preventing the mechanical and chemical degradation of the polymer.
  • the mineral particles comprise, in addition to non-oxide particles, oxide particles intended to prevent the agglomeration of the non-oxide particles in the organic matrix.
  • the oxide particles comprise, for example, an oxide selected from oxides of aluminum, silicon, titanium, zirconium or a mixture of said oxides. In addition, they may also comprise between 0.5% and 8% by weight of calcium titanate (perovskite) relative to the total weight of the non-oxide particles.
  • the average particle size of the oxide particles is preferably greater than that of the non-oxide particles and is, for example, of the order of 10 ⁇ m.
  • the proportion by weight of the oxide particles, relative to the total weight of the composite material is less than or equal to 60% and the density of the oxide particles is less than or equal to 5.
  • the composite material may comprise a coupling agent intended to facilitate the interaction between the oxide particles and the non-oxide particles.
  • the coupling agent is, for example, selected from polycarboxylic compounds, polysilane compounds and combinations thereof. Its density is preferably less than or equal to 5.
  • the mass proportion of coupling agent is, for example, between 0.1% and 15% by weight.
  • the oxide particles are mixed, preferably mechanically, with the non-oxide particles, before all of the mineral particles are dispersed in the organic matrix. This makes it possible, in particular, to electrostatically fix each non-oxide particle to an oxide particle and thus to avoid agglomeration of non-oxide particles within the organic matrix. This mode of mixing thus favors a uniform distribution of the mineral particles in the organic matrix.
  • a coupling agent such as polysilane
  • it is premixed, preferably mechanically, on the one hand with the non-oxide particles and on the other hand with the oxide particles before the mechanical mixing of the two types of particles is achieved.
  • the mixture of the two types of particles, oxide particles with coupling agent and non-oxide particles with coupling agent is, for example, made by stirring for a period of 0.20 hours to 10 hours, at a temperature of less than or equal to 100 0 C, with a stirring speed less than or equal to 1000 revolutions / min.
  • thermosetting organic matrix the set of mineral particles is mixed with organic particles intended to form the organic matrix, by mechanical mixing.
  • the organic particles thus constitute an organic precursor in the form of granules.
  • the mixture is then made by stirring for a period of 0.20 hours to 10 hours and with a stirring speed less than or equal to 1000 rpm.
  • the temperature at which the mixture is carried out is less than or equal to 500 0 C.
  • thermoplastic organic matrix ⁇ mixing between the inorganic particles and organic particles is achieved by fusion also known as "compounding".
  • Shaping by molding can also make it possible to produce a mechanical part made entirely of composite material. Shaping by molding can be performed by any type of known process such as injection, injection-compression, compression or overmoulding of a metal insert, polymer or composite material.
  • the mechanical part thus obtained may optionally undergo a treatment, for example thermal, mechanical or chemical, to improve the characteristics of the composite material such as its mechanical properties.
  • a composite material according to the invention has the advantage of being simple to implement and of being relatively inexpensive to manufacture, using industry-recognized, large-series implementation methods.
  • the production of a mechanical part comprising at least one part of composite material requires only a molding forming step compatible with the mass production processes, without the need for subsequent mechanical machining, contrary to a mechanical part made of aluminum alloy. This then makes it possible to reduce the cost price of the manufactured mechanical parts, while at the same time making it possible to obtain mechanical parts that are mechanically efficient and stable from a dimensional, geometrical and thermal point of view.
  • thermosetting or thermoplastic organic matrix provides, in a general manner, by means of an organic, unreinforced matrix. an increase of the mechanical strengths (Rr, A%), at ambient temperature and at low temperature (down to -50 ° C.), in tension and / or in compression, in flexion ...
  • thermoplastic organic matrices and / or an increase in the resistance to wear and abrasion, more particularly for thermoplastic organic matrices.
  • composite materials A, B, C, D and E having the compositions indicated in the table below were mechanically tested.
  • the polymers PF1107® and PF6771® forming the organic matrix of the composite materials A, B and C are phenolic compounds intended to be molded and marketed by Bakelite AG whereas the organic matrix of the composite material D is constituted by a thermoplastic polyamide polymer. (PA) not loaded.
  • IXEF1022® polymer The organic matrix forming the composite E is a PPA polyarylamide loaded with 50% by weight of glass fibers and is marketed by Solvay Advanced Polymers.
  • the non-oxide TiN particles are preferably obtained from a manufacturing method according to the patent application WO-A-9947454.
  • the oxide particles and the non-oxide particles are respectively mixed mechanically with polysilane, then they are mixed together, by stirring, at a temperature of 20 ° C., for one hour and with a speed stirring less than 1000 rpm.
  • the assembly is then mechanically mixed with an organic powder intended to form the organic matrix of the composite material.
  • the mixing conditions between the organic particles and the mineral particles are the same as those of the mixture between mineral particles.
  • the mixture between the mineral particles treated with the coupling agent and the organic powder intended to form the organic matrix is produced by "compounding".
  • measurements of thickness and shape defects such as flatness intended to determine the transverse recesses and to highlight the shrinkage and / or the distortion phenomena are performed on a mechanical part of revolution made of composite material B Such measurements show a marked improvement in the dimensional and geometric stability of the mechanical part, compared to a mechanical part made of uncharged organic matrix.
  • the mechanical tests on the composite material C show: a gain of 15% and 35% for the tensile strength at 20 ° C. and 200 ° C. respectively, relative to a PF6771® polymer matrix not loaded with mineral particles,
  • the mechanical compression tests on the composite material E show a gain of 15%, 25% and 20% for the tensile strength at 20 ° C., 100 ° C. and 200 ° C., respectively.
  • Such composite materials are thus able to meet stringent functional specifications, usually filled with metallic materials such as aluminum alloys.
  • a composite material comprising a thermosetting or thermoplastic organic matrix in which mineral particles comprising non-oxide particles and oxide particles are uniformly distributed can be used to form at least a part of a mechanical part such as parts used in the automotive, aerospace, chemical, petrochemical, electronics, telecoms, jewelery, watchmaking and medical industries.
  • a mechanical part can be used in a turbocharger assembly as a back plate, sealing plate, compressor casing, air compressor wheel ( "impellers”) ._ ⁇
  • L _ Used in a set, power steering pump, as a front plate, control plate, cover ...
  • Such mechanical parts are currently and for many years made of metal material.
  • a mechanical part comprising at least one part constituted by the composite material according to the invention can be reinforced mechanically and / or stabilized from a dimensional and geometric point of view by any means.
  • the inserts may, for example, comprise an insert on which is molded the composite material.
  • the inserts can then be metal inserts, polymer inserts, also called plastic inserts, or inserts of composite material, for example a composite material according to the invention.
  • the inserts made of polymer or composite material are, for ease of language, called organic matrix inserts, as opposed to metal inserts.
  • the choice to use an insert and more specifically the choice of its shape and geometry, the nature and the nuance of the material, as well as its position in the mechanical part, its manufacturing process and its price , are determined by the type of stresses, the distribution of stresses and the level of mechanical characteristics required according to the given application and the dimensions of the final mechanical part.
  • the materials chosen for producing the inserts are chosen to be resistant to oxidation and corrosion.
  • the metal inserts are, for example, chosen from:
  • stainless steels such as ferritic steels, for example of the AISI 430, AISI 441 type, austenitic steels, for example of the AISI 301, AISI 304,
  • They are, for example, made by cutting, cutting and stamping, forging, foundry and / or machining.
  • they preferably have a thickness of between 0.1 mm and 3 mm and more particularly between 0.8 mm and 1.5 mm.
  • the organic matrix inserts are, for example, chosen from:
  • thermoplastic polymers such as polyarylamide,
  • thermoplastic organic matrix filled with any type of reinforcing elements and optionally with mineral particles comprising non-oxide particles and oxide particles.
  • the organic matrix inserts may also undergo a surface treatment or heat treatment, intended, for example, to enhance their mechanical characteristics. They are made by any type of known process, such as, for example, by injection and / or compression.
  • the metal inserts are indifferently used to produce mechanical parts comprising at least a part of composite material with a thermosetting or thermoplastic organic matrix while the organic matrix inserts are used essentially with a thermoplastic organic matrix.
  • the metal inserts are completely or partially covered by the composite material, while the organic matrix inserts are overmoulded by a composite material envelope, the thickness of which varies between 0.1 and 10 mm and more particularly between 0.5 and 1, 5mm.
  • the metal inserts preferably have a smaller volume than the organic matrix inserts.
  • FIGS. 1 to 3 and 4 to 6 respectively illustrate the use of an organic matrix insert and a metal insert in a backplate-type mechanical part. used in a turbocharger assembly, particularly in the automotive field.
  • Figures 1 and 4 show, in section, a composite material part 1 of a rear plate while Figures 2 and 5 show the respectively plastic and metal inserts 2 for improving the dimensional stability and geometry of the back plate and / or mechanically strengthen it, to stiffen it.
  • the composite material part 1 is molded onto the insert 2.
  • the composite material part 1 is totally overmoulded on the insert 2 whereas in FIG. part of composite material 1 is partially overmolded on the insert 2.
  • the part of composite material 1 comprises 90% by weight of PF6771® and 10% by weight of mineral particles comprising 20% by weight of particles of titanium nitride treated with polysilane and 80% by weight of alumina particles treated with polysilane.
  • the metal insert is, for example, a steel type AISI 430, formed by cutting and trimming and having a thickness of 1mm.
  • FIGS. 7 to 9 and FIGS. 10 to 12 illustrate, respectively, the use of an organic matrix insert and a metal insert in a mechanical part of the sealing plate type (" Sealplate ”) used in a turbocharger assembly, particularly in the automotive field.
  • Figures 7 and 10 show, in section, a composite material part 3 of a sealing plate while Figures 8 and 11 show the inserts 4, respectively in pjastique, _ejt_méta] league, intended, to. to improve the stability - dimensional and geometric dimension of the sealing plate and / or to reinforce it.
  • the part of composite material 3 is overmolded on the insert 4, either completely (FIG. 9) or partially ( Figure 12).
  • the composite material part 3 is, for example, made with a polyarylamide organic matrix and the insert 4 can also be an insert consisting of a composite material having a polyarlylamide organic matrix and a thickness of the order of 1mm.
  • FIGS. 13 and 14 illustrate the gain in material obtainable with a sealing plate 5 ("sealplate") comprising a metal insert 6.
  • the part made of composite material 5 according to Figure 13 comprises stiffening ribs 7 to reduce the thickness of the envelope forming the part of composite material, while maintaining good mechanical performance.
  • inserts 8 with an organic matrix and metal may also be used to improve the dimensional and geometrical stability and / or to mechanically strengthen and stiffen compressor housings 9 made of composite material as represented respectively Figures 15 and 16.
  • Figures 15 and 16 also illustrate that, for substantially equivalent performance, the dimensions and more particularly the volume of the metal insert shown in Figure 16 are much lower than those of The organic matrix insert shown in Figure 15.
  • the volume of the metal insert is included in the volume of the organic matrix insert and more particularly the plastic insert.
  • the composite material part 9 may consist of 95% by weight of organic matrix, for example polyarylamide, and of 5% by weight.
  • an organic matrix insert 8 it is, for example, constituted by a composite material comprising 95% by weight of polyarylamide and 5% by weight of mineral particles whose constitution is identical to that of the mineral particles reinforcing the organic matrix of the composite material part.
  • a metal insert 8 it is, for example, made of a steel type AISI430 and has a thickness of about 1 mm.
  • FIGS. 17 to 19 and 20 to 22 respectively illustrate the use of an organic matrix insert and a metal insert in a control plate type mechanical part ("Steuerplatte”). ) used in a power steering pump assembly, particularly in the automotive field.
  • Figures 17 and 20 show a composite material portion 10 of a control plate while Figures 18 and 21 show the inserts 11, respectively plastic and metal.
  • Figures 19 et_ 22 J _la_partie_en composite material 10 is molded onto the insert 11.
  • the composite material may be thermosetting or thermoplastic organic matrix.
  • Inserts 13 with organic matrix and metal may also be used to produce mechanical parts of the front plate type (“Stirnplatte”), used in a power steering pump assembly, particularly in the automotive field and as illustrated respectively in FIGS.
  • FIGS. 23 and 26 show a part made of composite material 12 based on a thermosetting or thermoplastic organic matrix, a front plate while FIGS. 24 and 27 represent the inserts 13, respectively made of plastic and metal, intended to improve the dimensional and geometrical stability of the faceplate and / or to mechanically reinforce it.
  • the part made of composite material 12 is overmolded on the insert 13.
  • the use of metal or organic matrix inserts improves the dimensional and geometric stability of the parts mechanically while limiting withdrawals, particularly withdrawals. transversal, and attenuating the phenomenon of distortion. More particularly, the metal inserts also make it possible, in combination with a composite material according to the invention, to improve the mechanical strengths of parts and, more particularly, the bursting strengths for the turbocharger parts and the fluid pressures for the parts. pump parts as well as the rigidity of the parts.
  • the matrices of the composite material parts are, for example, for the thermosetting organic matrices, astitutione de phenol-formaldehyde and, a thermoplastic organic matrix, a polyarylamide matrix. It is obvious that such matrices can be replaced by other thermosetting or thermoplastic matrices, especially in cases where it is necessary to have an organic matrix with better resistance to high temperatures or cryogenic.
  • the reinforcing means and / or dimensional and geometric stabilization are not limited to the examples described and can be applied to any type of mechanical part comprising at least one part of composite material according to the invention.
  • a label also called “liner”
  • liner overmolded or glued on the outer surface of the composite material part.
  • Such a label then forms a "reinforcing coating”. It is chosen as a function of the temperatures to which the mechanical part is subjected, according to the nature of the composite material forming the part to be coated, according to the total price of the mechanical part, as a function of the type of stresses to which the mechanical part is subjected, of the stress distribution ... It is, for example, constituted by polyetherimide, stabilized polyester, a hardened aluminum sheet coated with vinyl. It can be used with composite materials having a thermosetting or thermoplastic organic matrix. It is, for example, made by molding and cutting.
  • FIGS. 29 and 30 illustrate the use of an adhesive label 14 made of 25 ⁇ m thick polyetherimide disposed on the surface of a rear panel 15 ej) composite material.
  • the back plate 15 consists of a composite material comprising 90% by weight of PF6771® and 10% by weight of mineral particles. comprising 20% by weight of titanium nitride treated with polysilane and 80% by weight of alumina treated with polysilane.
  • a composite material for example, reinforced and / or stabilized from a dimensional and geometric point of view either by an insert or by a label makes it possible to produce mechanical parts capable of meeting a stringent functional specification, generally fulfilled by metal mechanical parts, while being manufactured cheaply and possibly in large series. Such a material can then replace metal alloys such as aluminum alloys which have the disadvantage of requiring a machining operation.

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Abstract

Un matériau composite selon l'invention comporte une matrice organique dans laquelle sont uniformément réparties des particules minérales comprenant des particules non oxydes, quasi-sphériques, ayant une gamme granulométrique comprise entre 0,01 µm et 4µm et des particules oxydes. La matrice organique est choisie parmi la famille des polymères thermoplastiques et des polymères thermodurcissables. Plus particulièrement, les particules non oxydes sont des céramiques constituées de carbures, de nitrures et/ou de carbonitrures d'un métal réfractaire ou d'un mélange de métaux réfractaires choisis, par exemple, parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale, le niobium, le tungstène, le molybdène, le bore et le silicium. Un tel matériau composite peut former une partie (5) d'une pièce mécanique, par exemple utilisée dans un turbocompresseur ou dans une pompe de direction assistée, notamment dans le domaine automobile. La pièce mécanique peut être renforcée, par exemple, par un insert (6) métallique, en polymère ou en matériau composite et sur lequel est surmoulé le matériau composite.

Description

Matériau composite composé d'une matrice organique chargée par des particules non oxydes et des particules oxydes.
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un matériau composite comportant une matrice organique choisie parmi la famille des polymères thermoplastiques et la famille des polymères thermodurcissables et dans laquelle sont uniformément réparties des particules minérales.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel matériau composite, une pièce mécanique et l'utilisation d'une telle pièce mécanique.
État de la technique
Les exigences industrielles pour les pièces mécaniques utilisées dans des domaines tels que le transport, le bâtiment ou le domaine automobile sont, de plus en plus, accrues. Le choix du matériau destiné à former de telles pièces mécaniques est donc prépondérant. Or, ce choix dépend principalement de critères techniques tels que les performances mécaniques, chimiques et thermiques, de critères commerciaux tels que le prix, les sources d'approvisionnement et la disponibilité du matériau et de critères technologiques tels que les caractéristiques de mise en œuvre, en fonction des moyens industriels disponibles.
Les alliages d'aluminium sont généralement utilisés dans Le domaine automobile et notamment pour réaliser des pièces mécaniques "moteur" et "environnement moteur". En effet, les alliages d'aluminium, par rapport à d'autres alliages métalliques, ont un bon rapport "coût/gain de poids". Par ailleurs, la capacité de transformation de tels alliages est relativement élevée pour des coûts moindres et ils sont très faciles à mettre en œuvre, notamment dans une production en série. La mise en œuvre de tels alliages est, par exemple, réalisée par formage, par fonderie sous pression, par gravité, par usinage mécanique et/ou par traitements tels que des traitements thermiques ou de surface.
D'un point de vue mécanique et chimique, les alliages d'aluminium possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques à basse température (de -250 à +250°C), telles que l'élasticité, la ténacité, la ductilité et la résilience. Ils ont également une bonne capacité d'absorption des vibrations et sont résistants à une grande majorité d'agents chimiques et à la corrosion. Ils ont, en outre, un indice de prix très bas. Mais, dans Ia majorité des cas, les alliages d'aluminium, après transformation ou mise en œuvre, doivent être usinés mécaniquement. Or, cette étape d'usinage représente généralement un tiers du prix de revient du produit fini.
Pour remédier à cet inconvénient, certains ont proposé de remplacer les alliages d'aluminium par des matériaux composites comportant une matrice organique renforcée. A titre d'exemple, dans le domaine aéronautique, certaines pièces mécaniques peuvent être constituées par un matériau composite comportant une matrice organique dans laquelle sont dispersées des fibres de carbone. Cependant, jusqu'à présent, dans certaines applications telles que le domaine automobile, les matériaux composites ne se sont pas montrés capables de concurrencer les alliages métalliques tels que les alliages d'aluminium. Objet de l'invention
L'invention a pour but un matériau composite capable de remplacer les alliages métalliques et plus particulièrement les alliages d'aluminium, pour réaliser des pièces mécaniques nécessitant de bonnes performances mécaniques, chimiques et thermiques, tout en étant faciles à mettre en œuvre et peu chères à fabriquer.
Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels les figures 1 à 30 représentent divers modes de réalisation de pièces mécaniques selon l'invention.
Description de modes particuliers de réalisation
Un matériau composite selon l'invention comporte une matrice organique dans laquelle sont uniformément réparties des particules minérales comprenant des particules non oxydes et des particules oxydes.
La matrice organique est choisie parmi la famille des polymères thermoplastiques et la famille des polymères thermodurcissables et est, de préférence, constituée par un polymère polaire. Ainsi, la matrice organique est, par exemple, constituée par un polymère thermodurciss&ble choisLparmi . les résines phénol-formaldéhydes et les résines époxy ou bien par un polymère thermoplastique choisi parmi les résines polyéther éther cétones, les polyaryléthercétones, les polyarylamides, les polyamides, les polyphénylènes sulfides et les polyuréthanes. La matrice organique peut également comporter des charges organiques ou inorganiques telles que des fibres de carbone ou des fibres de verre. Le polymère de la matrice organique est, préférentiellement, choisi de manière à résister à des températures allant de -500C jusqu'à au moins +1800C.
Les particules non oxydes sont quasi-sphériques et ont une gamme granulométrique comprise entre 0,01 μm et 4μm et, de préférence comprise entre 0,1 μm et 1 μm. Plus particulièrement, les particules non oxydes sont des céramiques constituées de carbures, de nitrures et/ou de carbonitrures d'un métal réfractaire ou d'un mélange de métaux réfractaires choisis, par exemple, parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale, le niobium, le tungstène, le molybdène, le bore et le silicium. De préférence, la proportion en poids des particules non oxydes est inférieure ou égale à 60% par rapport au poids total du matériau composite.
Les particules céramiques sont, de préférence, obtenues par un procédé de synthèse à combustion autopropagée, plus connu sous le sigle SHS ("Self heating synthesis") tel que décrit dans la demande de brevet WO-A- 9947454. Un tel procédé de synthèse permet, en effet, d'obtenir des particules de carbures, de nitrures et/ou de carbonitrures d'au moins un métal réfractaire et plus particulièrement de titane, de zirconium et/ou de hafnium, lesdites particules étant très régulières, quasi-sphériques et très dures. La dureté des particules ainsi synthétisées est, en effet, comprise entre 1600Hv et 3200Hv. Par ailleurs, les particules non oxydes synthétisées sont très fines, d'une très grande pureté et elles ont, de préférence, une densité comprise entre 4 et 15.
Les particules non oxydes présentent, de plus, l'avantage d'être compatibles et d'avoir une bonne affinité avec les polymères, et plus particulièrement avec les polymères polaires. De plus, grâce à leur finesse, à leur très grand nombre, à leur répartition uniforme dans la matrice organique et à leur grande affinité avec la matrice organique, les particules non oxydes apportent, à la matrice organique, une surface spécifique importante. Ceci facilite, alors, les interactions physico-chimiques et mécaniques avec le polymère. De plus, les distances entre les particules sont notablement réduites, empêchant ainsi la dégradation mécanique et chimique du polymère.
Les particules minérales comportent, en plus des particules non oxydes, des particules oxydes destinées à éviter l'agglomération des particules non oxydes dans la matrice organique. Les particules oxydes comportent, par exemple, un oxyde choisi parmi les oxydes d'aluminium, de silicium, de titane, de zirconium ou un mélange desdits oxydes. De plus, elles peuvent également comporter entre 0,5% et 8% en poids de titanate de calcium (pérovskite) par rapport au poids total des particules non oxydes. La granulométrie moyenne des particules oxydes est, de préférence, supérieure à celle des particules non oxydes et est, par exemple, de l'ordre de 10μm.
Plus particulièrement, la proportion en poids des particules oxydes, par rapport au poids total du matériau composite est inférieure ou égale à 60% et la densité des particules oxydes est inférieure ou égale à 5.
Par ailleurs, le matériau composite peut comporter un agent de couplage destiné à faciliter l'interaction entre les particules oxydes et les particules non oxydes. L'agent de couplage est, par exemple, choisi parmi les composés polycarboxyliques, les composés polysilanes et leurs combinaisons. Sa densité est, de préférence, inférieure ou égale à 5. La proportion massique d'agent de couplage est, par exemple comprise entre 0,1% et 15% par
_ rapport à ja proportion massique de .particules. miDéxales,.-c'est-à--dire la proportion massique de particules non oxydes et de particules oxydes. . Selon un mode particulier de réalisation, les particules oxydes sont mélangées, de préférence mécaniquement, aux particules non oxydes, avant que l'ensemble des particules minérales ne soit dispersé dans la matrice organique. Ceci permet, notamment, de fixer électrostatiquement chaque particule non oxyde à une particule oxyde et donc d'éviter une agglomération de particules non oxydes au sein de la matrice organique. Ce mode de mélange favorise, ainsi, une répartition uniforme des particules minérales dans la matrice organique.
Lorsqu'un agent de couplage tel que le polysilane est utilisé pour faciliter les interactions entre les particules oxydes et les particules non oxydes, il est préalablement mélangé, de préférence mécaniquement, d'une part avec les particules non oxydes et d'autre part avec les particules oxydes, avant que le mélange mécanique des deux types de particules ne soit réalisé. Le mélange des deux types de particules, particules oxydes avec agent de couplage et particules non oxydes avec agent de couplage, est, par exemple, réalisé par agitation pendant une durée de 0,20 heure à 10 heures, à une température inférieure ou égale à 1000C, avec une vitesse d'agitation inférieure ou égale à 1000 tours/min.
Puis, dans le cas d'une matrice organique thermodurcissable, l'ensemble des particules minérales est mélangé à des particules organiques destinées à former la matrice organique, par mélange mécanique. Les particules organiques constituent, ainsi, un précurseur organique sous forme de granulés. Le mélange est, alors, réalisé par agitation, pendant une durée de 0,20 heure à 10 heures et avec une vitesse d'agitation inférieure ou égale à 1000 tours/min. La température à laquelle est réalisé le mélange est inférieure ou égale à 5000C. Dans le cas d'une matrice ^organique thermoplastique, le mélange entre les particules minérales et les particules organiques est réalisé par fusion également appelé "compoundage". Une fois le mélange entre les particules minérales et les particules organiques réalisé, celui-ci peut être mis en forme par moulage pour former, par exemple, au moins une partie d'une pièce mécanique dans des domaines tels que le domaine automobile. La mise en forme par moulage peut également permettre de réaliser une pièce mécanique entièrement en matériau composite. La mise en forme par moulage peut être réalisée par tout type de procédé connu tel que l'injection, Pinjection-compression, la compression ou le surmoulage d'un insert métallique, en polymère ou en matériau composite. La pièce mécanique ainsi obtenue peut éventuellement subir un traitement, par exemple thermique, mécanique ou chimique, pour améliorer les caractéristiques du matériau composite telles que ses propriétés mécaniques.
Un matériau composite selon l'invention présente l'avantage d'être simple à mettre en œuvre et d'être relativement peu coûteux à fabriquer, utilisant des procédés de mise en œuvre de grande série, reconnus industriellement. De plus, la réalisation d'une pièce mécanique comprenant au moins une partie en matériau composite ne nécessite qu'une étape de mise en forme par moulage compatible avec les procédés de fabrication de grande série, sans nécessiter d'usinage mécanique ultérieur, contrairement à une pièce mécanique en alliage d'aluminium. Ceci permet, alors, de diminuer le prix de revient des pièces mécaniques fabriquées, tout en permettant d'obtenir des pièces mécaniques performantes mécaniquement et stables d'un point de vue dimensionnel, géométrique et thermique.
En effet, la présence des particules non oxydes et de particules oxydes dans la matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique apporte, d'une manière générale, par japp_grt à une .. matrice, organique - non renforcée: - une augmentation des résistances mécaniques (Rr, A%), à température ambiante et à basse température (jusqu'à -5O0C), en traction et/ou en compression, en flexion... et/ou un accroissement du module d'élasticité longitudinal E, - et/ou une amélioration de l'élasticité, de la ductilité, de la rigidité et/ou de la ténacité, et/ou une atténuation de la dégradation du matériau à température élevée, et/ou une amélioration de la tenue à la fatigue et au vieillissement, - et/ou une augmentation de l'indice de performance E/p correspondant à l'indice de performance tenant compte de la déformation élastique et de l'allongement,
- et/ou une augmentation de la température de transition vitreuse Tg, et/ou une réduction du coefficient de dilatation linéaire ainsi que du retrait transversal pendant et après l'étape de mise en forme par moulage ; et/ou une atténuation du phénomène de distorsion des plans, des surfaces, après l'étape de mise en forme par moulage.
- et/ou une augmentation de la résistance à l'usure, à l'abrasion, plus particulièrement pour les matrices organiques thermoplastiques.
A titre d'exemple, des matériaux composites A, B, C, D et E ayant les compositions indiquées dans le tableau ci-dessous ont été testés mécaniquement.
Les polymères PF1107® et PF6771® formant la matrice organique des matériaux composites A, B et C sont des composés phénoliques destinés à être moulés et commercialisés par la société Bakélite AG tandis que la matrice organique du matériau composite D est constituée par un polymère thermoplastique polyamide (PA) non chargé. Le polymère IXEF1022® formant la matrice organique du composite E est un polyarylamide PPA chargé par 50% en poids de fibres de verre et il est commercialisé par la société Solvay Advanced Polymers. Les particules non oxydes TiN sont, de préférence, obtenues à partir d'un procédé de fabrication selon la demande de brevet WO-A- 9947454.
Pour les matériaux composites A, B et C, les particules oxydes et les particules non oxydes sont respectivement mélangées mécaniquement avec du polysilane, puis elles sont mélangées ensemble, par agitation, à une température de 2O0C, pendant une heure et avec une vitesse d'agitation inférieure à 1000 tours/minute. L'ensemble est alors mélangé mécaniquement avec une poudre organique destinée à former la matrice organique du matériau composite. Les conditions de mélange entre les particules organiques et les particules minérales sont les mêmes que celles du mélange entre particules minérales. Pour les matériaux composites D et E, le mélange entre les particules minérales traitées par l'agent de couplage et la poudre organique destinée à former la matrice organique est réalisé par "compoundage".
Les tests mécaniques sur le matériau composite A montrent : en traction :
- un gain de 15% pour la résistance à la rupture à 1500C par rapport à une matrice polymère PF1107® non chargée en particules minérales,
- une atténuation de la dégradation du matériau composite A lorsque la température passe de 200C à 1500C par rapport à une matrice polymère PF1107® non chargée en particules minérales,
- un gain de 10% pour l'allongement A% à 1500C par rapport à la matrice J|θlyjτière_non_chargée en_particules_miaé.rales, _ "
- un gain de 15% du module d'Young, à 20°C, 1000C et à 2000C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales, - un gain de 30% du module d'Young à 1500C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales,
- une augmentation de la valeur spécifique du module E/p par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales, - une augmentation de 10% de la température de transition vitreuse par rapport à la matrice polymère non chargée,
• en compression :
- un gain respectivement de 15%, 10%, 10% et 10% pour la résistance à la rupture, à -500C, à 200C, à 1000C et à 2000C, par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales.
Les tests mécaniques sur le matériau composite B montrent :
• en traction :
- un gain de 10% et 20% pour la résistance à la rupture respectivement à 1500C et à 2000C, par rapport à une matrice polymère PF6771® non chargée en particules minérales,
- une atténuation de la dégradation du matériau composite B lorsque la température passe de 200C à 1500C et de 200C à 2000C, par rapport à une matrice polymère PF6771® non chargée en particules minérales, - un gain de 65% et 42% pour l'allongement A%, respectivement à 1500C et à 2000C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales,
- un gain de 15% du module d'Young à 200C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales, - une amélioration de 125% et 130% de l'allongement A% du composite B lorsque la température passe respectivement de 20 à 1500C et de 2O0C à 200°C,
- une_augmeηtatioη_deja_valeur spécifique du .module E/p par-rapport à-la matrice polymère non chargée en particules minérales, " en compression :
- un gain respectivement de 15%, 10% et 90% pour la résistance à la rupture, à -50°C, à 200C et à 2000C, par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales.
Par ailleurs, des mesures d'épaisseur et de défauts de forme tels que la planéité destinées à déterminer les retraits transversaux et à mettre en évidence les retassures et/ou les phénomènes de distorsion sont réalisés sur une pièce mécanique de révolution réalisée en matériau composite B. De telles mesures montrent une nette amélioration de la stabilité dimensionnelle et géométrique de la pièce mécanique, par rapport à une pièce mécanique réalisée en matrice organique non chargée.
Les tests mécaniques sur le matériau composite C montrent : - un gain de 15% et 35% pour la résistance à la rupture respectivement à 200C et à 2000C, par rapport à une matrice polymère PF6771® non chargée en particules minérales,
- un gain de 15% pour l'allongement A% à 2000C, par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales, - un gain de 60%, 50%, 30% et 35% du module d'Young, respectivement à 200C, 1000C, 1500C et 2000C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales,
- une amélioration de 70% de l'allongement A% du composite C lorsque la température passe de 20 à 2000C.
Les tests mécaniques sur le matériau composite D montrent : ' en traction :
- un_gain_de_25%L20%, 30%_et_ 10% du module _dlYoung, respectivement à 200C1 1000C, 1500C et 2000C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales, en compression :
- un gain de 15 % pour la résistance à la rupture à 200C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales,
- un gain de 25% pour l'allongement A% à 23°C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales,
- un gain de 15%, 40%, 25%, 20% et 10% du module d'Young, respectivement à -500C, 200C, 1000C, 1500C et 2000C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales.
Les tests mécaniques en compression sur le matériau composite E montrent un gain de 15%, 25% et 20% pour la résistance à la rupture respectivement à 20°C, 1000C et à 2000C.
De tels matériaux composites sont, ainsi, capables de répondre à des cahiers des charges fonctionnels sévères, habituellement remplis par des matériaux métalliques tels que les alliages d'aluminium.
A titre d'exemple, un matériau composite comprenant une matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique dans laquelle sont uniformément réparties des particules minérales comprenant des particules non oxydes et des particules oxydes, peut être utilisé pour former au moins une partie d'une pièce mécanique telles que des pièces utilisées dans l'industrie automobile, aéronautique, chimique, pétrochimique, l'électronique, les télécoms, la bijouterie, l'horlogerie et le domaine médical. Par exemple, une telle pièce mécanique peut être utilisée dans un ensemble turbocompresseur, en tant que plaque arrière, plaque d'étanchéité, carter compresseur, roue de compression de l'air ("impellers")._ Elle peut^ également, L_être jutiljsée._dans_un ensemble, de- pompe de direction assistée, en tant que plaque frontale, plaque de contrôle, couvercle... De telles pièces mécaniques sont actuellement et depuis de nombreuses années réalisées en matériau métallique. Par ailleurs, une pièce mécanique comportant au moins une partie constituée par le matériau composite selon l'invention peut être renforcée mécaniquement et/ou stabilisée d'un point de vue dimensionnel et géométrique par tout moyen.
Elle peut, par exemple, comporter un insert sur lequel est surmoulé le matériau composite. Les inserts peuvent alors être des inserts métalliques, des inserts en polymère, également appelés inserts plastiques, ou des inserts en matériau composite, par exemple en un matériau composite selon l'invention. Les inserts en polymère ou en matériau composite sont, par facilité de langage, appelés des inserts à matrice organique, en opposition aux inserts métalliques.
Le choix d'utiliser un insert, et plus particulièrement le choix de sa forme et de sa géométrie, de la nature et de la nuance du matériau, ainsi que de sa position dans la pièce mécanique, de son procédé de fabrication et de son prix, sont déterminés par le type de sollicitations, par la répartition des contraintes et par le niveau de caractéristiques mécaniques requises selon l'application donnée et par les dimensions de la pièce mécanique finale. Dans le domaine des pièces mécaniques automobiles, les matériaux choisis pour la réalisation des inserts sont choisis pour être résistants à l'oxydation et à la corrosion.
Les inserts métalliques sont, par exemple, choisis parmi :
- les aciers inoxydables tels que les aciers ferritiques, par exemple de type AISI 430, AISI 441 , les aciers austénitiques, par exemple de type AISI 301 , AISI 304,
- les aciers traités par bichromatage, chromatage, cataphorèse, électrozingage,...,
- les aciers galvanisés, - les alliages d'aluminium.
Ils sont, par exemple, réalisés par découpage, découpage et emboutissage, forgeage, fonderie et/ou usinage. De plus, ils ont, de préférence, une épaisseur, comprise entre 0,1mm et 3mm et, plus particulièrement comprise entre 0,8mm et 1 ,5mm.
Les inserts à matrice organique sont, par exemple, choisis parmi :
- les polymères thermoplastiques tels que le polyarylamide,
- les matériaux composites comportant une matrice organique thermoplastique, chargée par tout type d'éléments de renfort et éventuellement par des particules minérales comportant des particules non oxydes et des particules oxydes.
Les inserts à matrice organique peuvent également subir un traitement de surface ou un traitement thermique, destiné, par exemple, à renforcer leurs caractéristiques mécaniques. Ils sont réalisés par tout type de procédé connu, tel que, par exemple, par injection et/ou compression. Les inserts métalliques sont, indifféremment utilisés pour réaliser des pièces mécaniques comportant au moins une partie en matériau composite avec une matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique tandis que les inserts à matrice organique sont utilisés essentiellement avec une matrice organique thermoplastique. Généralement, les inserts métalliques sont recouverts totalement ou partiellement par le matériau composite, tandis que les inserts à matrice organique sont surmoulés par une enveloppe en matériau composite, dont l'épaisseur varie entre 0,1 et 10mm et plus particulièrement entre 0,5 et 1 ,5mm. De plus, pour des performances équivalentes, les inserts métalliques ont, de préférence, un volume inférieur à celui des inserts à matrice __Qrganique__ .et. plus, particulièrement des inserts plastiques. Selon un premier exemple d'utilisation, les figures 1 à 3 et 4 à 6 illustrent, respectivement, l'utilisation d'un insert à matrice organique et d'un insert métallique dans une pièce mécanique de type plaque arrière ("Backplate") utilisée dans un ensemble turbocompresseur, notamment dans le domaine automobile. Ainsi, les figures 1 et 4, représentent, en coupe, une partie en matériau composite 1 d'une plaque arrière tandis que les figures 2 et 5 représentent les inserts respectivement en plastique et métallique 2 destinés à améliorer la stabilité dimensionneile et géométrique de la plaque arrière et/ou à la renforcer mécaniquement, à la rigidifier. Comme représenté aux figures 3 et 6, la partie en matériau composite 1 est surmoulée sur l'insert 2. A la figure 3, la partie en matériau composite 1 est totalement surmoulée sur l'insert 2 tandis qu'à la figure 6, la partie en matériau composite 1 est partiellement surmoulée sur l'insert 2. A titre d'exemple, la partie en matériau composite 1 comporte 90% en poids de PF6771® et 10% en poids de particules minérales comprenant 20% en poids de particules de nitrure de titane traitées par du polysilane et 80% en poids de particules d'alumine traitées par du polysilane. L'insert métallique est, par exemple, un acier de type AISI 430, formé par découpage et soyage et ayant une épaisseur de 1mm.
Selon un second exemple de réalisation, les figures 7 à 9 et les figures 10 à 12 illustrent, respectivement, l'utilisation d'un insert à matrice organique et d'un insert métallique dans une pièce mécanique de type plaque d'étanchéité ("Sealplate") utilisée dans un ensemble turbocompresseur, notamment dans le domaine automobile. Ainsi, les figures 7 et 10, représentent, en coupe, une partie en matériau composite 3 d'une plaque d'étanchéité tandis que les figures 8 et 11 représentent les inserts 4, respectivement en pjastique,_ejt_méta]ligue, destinés, à .amélLorerJa .stabilité - dimensionneile et géométrique de la plaque d'étanchéité et/ou à la renforcer. Comme représenté aux figures 9 et 12, la partie en matériau composite 3 est surmoulée sur l'insert 4, soit totalement (figure 9), soit partiellement (figure 12). A titre d'exemple, la partie en matériau composite 3 est, par exemple, réalisée avec une matrice organique polyarylamide et l'insert 4 peut également être un insert constitué par un matériau composite ayant une matrice organique polyarlylamide et une épaisseur de l'ordre de 1mm.
L'utilisation d'inserts métalliques dans des pièces mécaniques d'un ensemble turbocompresseur permet, plus particulièrement, d'éviter une fragmentation de la pièce mécanique en matériau composite lors d'un éventuel éclatement de la roue de compression, ainsi que la perforation de la pièce par des débris issus de cet éclatement et/ou à améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique de la pièce mécanique, en limitant les retraits, en particulier transversaux, et en atténuant le phénomène de distorsion des plans, des surfaces...
De plus, l'utilisation d'inserts, et plus particulièrement d'inserts métalliques, peut permettre de réduire la proportion en matériau composite et éventuellement d'obtenir un allégement de la pièce mécanique, tout en conservant de bonnes performances mécaniques. Les figures 13 et 14 illustrent le gain de matière pouvant être obtenu avec une plaque d'étanchéité 5 ("sealplate") comprenant un insert métallique 6. En comparaison avec la partie en matériau composite 3 selon la figure 10, la partie en matériau composite 5 selon la figure 13 comporte des nervures de rigidification 7 permettant de réduire l'épaisseur de l'enveloppe formant la partie en matériau composite, tout en conservant de bonnes performances mécaniques.
Selon un troisième exemple de réalisation, des inserts 8 à matrice organique et métalliques peuvent également être utilisés pour améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique et/ou pour renforcer mécaniquement, rigidifier des carters compresseurs 9 en matériau composite tels que représentés respectivement aux figures 15 et 16. Les figures 15 et 16 illustrent, également, le fait que, pour des performances sensiblement équivalentes, les dimensions et plus particulièrement le volume de l'insert métallique représenté à la figure 16 sont très inférieurs à ceux de l'insert à matrice organique représenté à la figure 15. Généralement, le volume de l'insert métallique est inclus dans le volume de l'insert à matrice organique et plus particulièrement de l'insert plastique. A titre d'exemple, dans le cas d'un carter compresseur comprenant un insert à matrice organique ou métallique, la partie en matériau composite 9 peut être constituée de 95% en poids de matrice organique, par exemple polyarylamide, et de 5% en poids d'un mélange de particules minérales comprenant 50% en poids de nitrure de titane traité par du polysilane et 50% en poids d'alumine traitée par du polysilane. Dans le cas d'un insert 8 à matrice organique, il est, par exemple, constitué par un matériau composite comprenant 95% en poids de polyarylamide et 5% en poids de particules minérales dont la constitution est identique à celle des particules minérales renforçant la matrice organique de la partie en matériau composite. Dans le cas d'un insert 8 métallique, il est, par exemple, constitué d'un acier de type AISI430 et a une épaisseur de l'ordre de 1 mm.
Selon un autre exemple d'utilisation, les figures 17 à 19 et 20 à 22 illustrent, respectivement, l'utilisation d'un insert à matrice organique et d'un insert métallique dans une pièce mécanique de type plaque de contrôle ("Steuerplatte") utilisée dans un ensemble de pompe de direction assistée, notamment dans le domaine automobile. Ainsi, les figures 17 et 20, représentent une partie en matériau composite 10 d'une plaque de contrôle tandis que les figures 18 et 21 représentent les inserts 11 , respectivement en plastique et métallique. Comme représenté aux figures 19 et_ 22J_la_partie_en matériau composite 10 est surmoulée sur l'insert 11. Le matériau composite peut être à matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique. Des inserts 13 à matrice organique et métalliques peuvent également être utilisés pour réaliser des pièces mécaniques de type plaque frontale ("Stirnplatte"), utilisées dans un ensemble de pompe de direction assistée, notamment dans le domaine automobile et comme illustrées respectivement aux figures 23 à 25 et 26 à 28. Ainsi, les figures 23 et 26, représentent une partie en matériau composite 12 à base d'une matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique, d'une plaque avant tandis que les figures 24 et 27 représentent les inserts 13, respectivement en plastique et métallique, destinés à améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique de la plaque frontale et/ou à la renforcer mécaniquement. Comme représenté aux figures 25 et 28, la partie en matériau composite 12 est surmoulée sur l'insert 13.
Dans les pièces mécaniques utilisées dans un ensemble pour turbocompresseur et pour pompe de direction assistée, l'utilisation d'inserts métallique ou à matrice organique permet d'améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique des pièces mécaniquement tout en limitant les retraits, en particulier les retraits transversaux, et en atténuant le phénomène de distorsion. Plus particulièrement, les inserts métalliques permettent également, en association avec un matériau composite selon l'invention, d'améliorer les résistances mécaniques de pièces et, plus particulièrement les résistances à l'éclatement pour les pièces de turbocompresseurs et aux pressions de fluides pour les pièces de pompes ainsi que la rigidité des pièces.
Dans ces différents exemples de réalisation, les matrices des parties en matériau composite sont, par exemple, pour les matrices organiques thermodurcissables, une majtricejDhénol-formaldéhyde et, pαuLles_matrices organiques thermoplastiques, une matrice polyarylamide. Il est bien évident que de telles matrices peuvent être remplacées par d'autres matrices thermodurcissables ou thermoplastiques, notamment dans les cas où il est nécessaire de disposer d'une matrice organique présentant une meilleure tenue aux températures élevées ou cryogéniques. De plus, les moyens de renforcement et/ou de stabilisation dimensionnelle et géométriques ne sont pas limités aux exemples décrits et peuvent s'appliquer à tout type de pièce mécanique comportant au moins une partie en matériau composite selon l'invention.
Il est également possible de renforcer la partie en matériau composite d'une pièce mécanique par une étiquette, également appelée "liner", surmoulée ou collée sur la surface extérieure de la partie en matériau composite. Une telle étiquette forme alors un "revêtement de renforcement". Elle est choisie en fonction des températures auxquelles est soumise la pièce mécanique, selon la nature du matériau composite formant la partie à revêtir, selon le prix total de la pièce mécanique, en fonction du type de sollicitations auxquelles est soumise la pièce mécanique, de la répartition des contraintes... Elle est, par exemple, constituée par du polyétherimide, du polyester stabilisé, une feuille d'aluminium écroui enduite de vinyle. Elle peut être utilisée avec des matériaux composites ayant une matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique. Elle est, par exemple, réalisée par moulage et découpage.
Une telle étiquette est généralement utilisée pour protéger des pièces mécaniques d'un ensemble turbocompresseur, telles que les plaques arrières et les plaques d'étanchéité, de manière à empêcher la dispersion de fragments de pièce mécanique, si celle-ci se rompt lors d'un éclatement de la roue de compression. Les figures 29 et 30 illustrent l'utilisation d'une étiquette adhésive 14 en polyétherimide de 25 μm d'épaisseur, disposée à la surface d'une pjaque arrière 15 ej) matériau composite. A titre d'exemple, la plaque arrière 15 est constituée d'un matériau composite comportant 90% en poids de PF6771 ® et 10% en poids de particules minérales comportant 20% en poids de nitrure de titane traité avec du polysilane et 80% en poids d'alumine traitée avec du polysilane.
Un matériau composite, par exemple, renforcé et/ou stabilisé d'un point de vue dimensionnel et géométrique soit par un insert, soit par une étiquette permet de réaliser des pièces mécaniques susceptibles de répondre à un cahier des charges fonctionnel sévère, généralement rempli par des pièces mécaniques en métal, tout en étant fabriqué à moindre coût et éventuellement en grande série. Un tel matériau peut alors remplacer les alliages métalliques tels que les alliages d'aluminium qui présentent l'inconvénient de nécessiter une opération d'usinage.

Claims

Revendications
1. Matériau composite comportant une matrice organique choisie parmi la 5 famille des polymères thermoplastiques et la famille des polymères thermodurcissables et dans laquelle sont uniformément réparties des particules minérales, matériau composite caractérisé en ce que les particules minérales comportent :
- des particules non oxydes, quasi-sphériques et dont la gamme o granulométrique est comprise entre 0,01 μm et 4μm
- et des particules oxydes.
2. Matériau composite selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les particules non oxydes sont choisies parmi les carbures, les nitrures, les 5 carbonitrures d'au moins un métal réfractaire et leur mélange.
3. Matériau composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que le métal réfractaire est choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale, le niobium, le tungstène, le molybdène, le bore et le silicium.
4. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la gamme granulométrique des particules non oxydes est comprise entre 0,1 μm et 1μm.
5. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la proportion en poids des particules non oxydes par rapport au poids total du matériau composite est inférieure ou égale à 60%.
6. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matrice organique est constituée par un polymère polaire.
7. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matrice organique est constituée par un polymère thermodurcissable choisi parmi les résines phénol-formaldéhydes et les résines époxy.
8. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la matrice organique est constituée par un polymère thermoplastique choisi parmi les résines polyéther éther cétones, les polyaryléthercétones, les polyarylamides, les polyamides, les polyphénylènes sulfides et les polyuréthanes.
9. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la matrice organique comporte des charges organiques ou inorganiques.
10. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les particules oxydes comportent un oxyde choisi parmi les oxydes d'aluminium, les oxydes de silicium, les oxydes de titane et les oxydes de zirconium ou un mélange desdits oxydes.
11. Matériau composite selon la revendication 101 caractérisé en ce que les particules oxydes comportent entre 0,5% et 8% en poids de titanate de calcium par rapport au poids des particules non oxydes.
12. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce que les particules oxydes ont une granulométrie moyenne de l'ordre de 10μm.
13. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la proportion en poids des particules oxydes par rapport au poids total du matériau composite est inférieure ou égale à 60%.
14. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un agent de couplage choisi parmi les composés polycarboxyliques, les composés polysilanes et leur combinaison.
15. Matériau composite selon la revendication 14, caractérisé en ce que la proportion en poids de l'agent de couplage est comprise entre 0.1 et 15 % par rapport à la proportion totale en poids de particules minérales.
16. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : - une première étape de mélange entre les particules oxydes et les particules non oxydes - une seconde étape de mélange entre le mélange de particules oxydes et non oxydes et un précurseur organique sous forme de granulés, de manière à obtenir un mélange homogène - et une étape de mise en forme par moulage permettant d'obtenir, à partir du précurseur organique, la matrice organique dans laquelle sont uniformément réparties les particules minérales.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la première étape de mélange est précédée de deux étapes de mélange additionnels, respectivement entre les particules oxydes et un agent de couplage et entre les particules non oxydes et ledit agent de couplage.
18. Procédé selon l'une des revendications 16 et 17, caractérisé en ce que la première étape de mélange est une étape de mélange mécanique réalisée par agitation, pendant une durée de 0,20 heure à 10 heures, avec une vitesse d'agitation inférieure ou égale à 1000 tours/min et à une température inférieure ou égale à 100°C.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que la matrice organique étant constituée par un polymère thermodurcissable, la seconde étape de mélange est une étape de mélange mécanique réalisée par agitation, pendant une durée de 0,20 heure à 10 heures, avec une vitesse d'agitation inférieure ou égale à 1000 tours/min et à une température inférieure ou égale à 500°C.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que la matrice organique étant constituée par un polymère thermoplastique, la seconde étape de mélange est réalisée par compoundage.
21. Pièce mécanique caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une partie (1 , 3, 5, 9, 10, 12, 15) constituée par un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 15.
22. Pièce mécanique selon la revendication 21 , caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un insert (2, 4, 6, 8, 11 , 13) métallique, en polymère ou en matériau composite et sur lequel est surmoulé le matériau composite.
23. Pièce mécanique selon la revendication 22, caractérisée en ce que l'insert (2, 4, 6, 8, 11 , 13) étant un insert métallique, il a une épaisseur comprise entre 0,1mm et 3mm.
24. Pièce mécanique selon la revendication 23, caractérisée en_ ce -que l'insert (2, 4, 6, 8, 11 , 13) a une épaisseur comprise entre 0,8mm et 1 ,5mm.
25. Pièce mécanique selon la revendication 22, caractérisée en ce que Pinsert (2, 4, 6, 8, 11 , 13) étant un insert en polymère ou en matériau composite, le matériau composite surmoulé sur l'insert est sous forme d'une enveloppe ayant une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 10mm.
26. Pièce mécanique selon la revendication 25, caractérisée en ce que l'enveloppe a une épaisseur comprise entre 0,5mm et 1 ,5mm.
27. Pièce mécanique selon la revendication 21 , caractérisée en ce qu'elle comporte une étiquette (14) surmoulée ou collée sur la surface extérieure de la partie (15) constituée par le matériau composite.
28. Pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications 21 à 27, caractérisée en ce que la surface de la pièce mécanique est traitée thermiquement, mécaniquement ou chimiquement.
29. Utilisation d'une pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications 21 à 28 dans un turbocompresseur ou dans une pompe de direction assistée.
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