FR2498520A1 - Article manufacture composite fait de couches de tissu, preforme de tissu pour un tel article et procede de fabrication - Google Patents

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Abstract

ARTICLE AISEMENT MANIPULABLE. IL COMPREND: -UNE PREMIERE COUCHE DE TISSU 40 ADJACENTE A UNE SECONDE COUCHE DE TISSU 50 DE L'ENSEMBLE DE COUCHES;, LA PREMIERE COUCHE INCLUANT DANS SON ARMURE UN MATERIAU FIBREUX THERMOPLASQUE 6 ENTREMELE AVEC LE MATERIAU FIBREUX STRUCTURAL 2, 4, 8, 10: LES PREMIERES ET SECONDES COUCHES ETANT LIEES ENSEMBLE PAR LE MATERIAU THERMOPLASTIQUE OU JONCTION ENTRE LE MATERIAU FIBREUX DANS LA PREMIERE ET LA SECONDE COUCHES. APPLICATION A LA FABRICATION D'ONDES POUR MOTEUR D'AVION.

Description

La présente invention concerne des tissus composites et un procédé de
fabrication de ces tissus composites,et plus particulièrement, un procédé perfectionné pour faire adhérer ou lier les couches de tissu composite faites de matériaux fibreux pour fournir une préforme composite améliorée. L'article manufacturé de la présente invention est fait, selon une réalisation, en empilant plusieurs couches de tissu faites de matériau fibreux, au moins des couches alternées de l'ensemble de couches de tissu comportant du matériau fibreux thermoplastique réparti ou entremêlé dans l'armure de matériau fibreux structural; en tassant de préférence les couches de tissu pour former des couches tassées de tissu; et en chauffant les couches empilées à une température suffisante pour favoriser une action de liaison par le matériau fibreux thermoplastique aux jonctions entreles matériaux fibreux. Dans les réalisations les plus recommandées, les couches tassées et chauffées sont refroidies après apport suffisant de chaleur pour favoriser une
liaison satisfaisante par le matériau fibreux thermoplastique.
Généralement, la quantité de chaleur suffisante pour favo-
riser la liaison satisfaisante par le matériau fibreux thermo-
plastique correspond à la température requise pour fondre, ramollir ou rendre collant le matériau fibreux thermoplastique
ou de toute autre manière obliger le matériau fibreux thermo-
plastique à adhérer ou coller, fondre, lier ou réunir les couches de tissu, ce que l'on désignera ci-après par liaison ou réunion. La durée du chauffage du composite n'est pas critique aussi longtemps que la chaleur est appliquée pendant un temps suffisant pour pénétrer dans les couches de tissu afin d'assurer l'action de liaison entre les couches de tissu. Par exemple, on peut chauffer les couches de tissu tassées ou empilées pendant
de 1 seconde à 15 minutes dans certaines réalisations recommandées.
La quantité de chaleur requise, c'est-à-dire la température requise, et la durée requise dépendent de divers facteurs incluant le nombre de couches de tissu dans le tissu composite, l'épaisseur des couches, le type ou les types de matériau-fibreux thermoplastiques, le type ou les types de matériau fibreux structural, et l'état auquel le matériau fibreux thermoplastique réunit ou lie les couches ensembles. On peut aisément régler ces paramètres et les rendre optimaux sans expérimentation exagérée. Dans les réalisations recommandées, la température est au moins égale au point de fusion du matériau fibreux thermo- plastique mais est inférieure à la température qui dégraderait, décomposerait ou comprometterait de toute autre manière l'intégrité structurelle des tissus et/ou de ses composants fibreux structuraux. Bien que la température dépende du ou des type(s) particulier(s) de matériaux fibreux thermoplastiques ou de leur combinaison, les températures recommandées dépassent généralement 260'C mais restent inférieures à la température de décomposition du matériau fibreux thermoplastique ou du matériau fibreux structural, selon le matériau qui se décompose à la température la plus basse. Par exemple, le matériau fibreux thermoplastique polyestérique fabriqué à partir de poly(téréphtalate d'éthylène) et identifié par E.I. DuPont de Nemours et Company sous la marque Dacron, fond à 2500C environ
et se décompose à 3500C environ. Dans des réalisations recom-
mandées, la température à laquelle on chauffe les couches de
tissu tassées ou comprimées est comprise entre 2500C et 2750C.
Les couches de tissu utiles pour la présente invention
peuvent avoir toutes formes, dimensions, formats et configura-
tions souhaitables, et comprennent des fibres tissées et non
tissées,des fils, des fils finis, des filaments et analogues.
Les fibres ou matériaux non tissés peuvent être des galettes,
des feutres, des bourrages, etc, Les matériaux fibreux struc-
turaux peuvent être des matériaux bien connus qui forment des fibres, filaments, fils finis, fils, tissus tissés, tissus non tissés, galettes, feutres, etc. Tel qu'utilisé dans la présente
description, le terme, matériau fibreux structural enveloppe
tous les diffétents types de matériaux qui forment des tissus utiles en couches multiples pour former un tissu composite selon la présente invention. Parmi ces matériaux fibreux structuraux, on peut citer le verre sous forme de fibres de verre, le carbone ou le graphite sous forme de fibres de carbone ou de graphite, les fibres de carbone non graphitiques,
les fibres de carbone vitreux, les fibres de carbone graphiti-
ques et non graphitiques monolithiques et de bore, le silicium
et autres matériaux réfractaires. Un tissu structural parti-
culièrement utile est un tissu fait d'une combinaison de fibres de verre et de fibres de graphite, dans laquelle les fibres de verre et de graphite sont tissés en un tissu à partir de fils faits de ces fibres. Dans un exemple de tissu tissé fait à partir de ces fibres, des filaments ou fils de carbone et de verre sont tissés dans le sens de la chaîne en même temps que des fils faits d'un matériau thermoplastique convenable, par exemple, un fil polyacrylique. On utilise des
fils ou fibres de verre et de carbone dans le sens de la trame.
Lorsqu'on utilise plusieurs types de matériaux fibreux, on peut les incorporer en un fil ou fil fini unique. En variante, on peut utiliser des fils ou fils finis faits d'un type unique de matériau fibreux thermoplastique avec des fils ou fils finis d'un autre type unique de matériau fibreux
thermoplastique pour former les tissus tissés ou non tissés.
La dimension des fils ou filaments, fils finis et fibres ther-
moplastiques peut être une de celles classiquement utilisées pour la fabrication de tissu tissé ou non tissé. Bien que ce ne soit pas critique dans la mise en oeuvre de la présente invention, pour des tissus tissés, la taille des fils est de préférence comprise entre des fils à 1000 filaments et des fils à 24.000
filaments.
Le matériau fibreux thermoplastique que l'on peut utiliser pour lier des couches de tissu dans le tissu composite de la présente invention peut être choisi parmi une grande diversité de matériaux fibreux thermoplastiques ramollissables thermiquement bien connus comprenant des polyamides, des polyacryliques, des polyesters et des polyoléfines, des dérivés des précédents et leurs mélanges. A titre d'exemple des dérivés des précédents on peut citer des espèces halogénés ou les espèces qui ont
divers groupes fonctionnels liés à elles.
Parmi les polyoléfines on peut citer le polyéthylène, le polypropylène, le polybutylène, etc. Par exemple, on peut incorporer du polyéthylène qui fond à environ 1100C ou des fibres de polypropylène qui se ramollissent à environ 1501C avec les matériaux fibreux structuraux pour former des tissus utilisés dans la présente invention. Les fibres de polyéthylène se ramollissent suffisamment pour se lier auxmatériaucfibreux structuraux, et/ou à d'autres fibres de polyéthylène de couches de tissu consécutives ou adjacentes. Parmi d'autres fibres thermoplastiques que l'on peut utiliser selon la présente invention on peut citer les fibres de polychlorure de vinyle qui se ramollissent à une température comprise entre 600C et 710C, les fibres de polytéréphtalate d'éthylène ayant un point
de fusion dans la gamme de 258 à 2630C, et des fibres poly-
acryliques telles que des fibres Orlon ou Acrilan qui ont un point de fusion d'environ 2200C. Parmi les fibres de polyesters on peut citer le polytéréphtalate d'éthylène, ayant un point de fusion d'environ 2500C et vendu sous la marque Dacron qui
constitue un des matériaux recommandés comme fibres thermo-
plastiques pour les tissus composites dela présente invention.
Dacron et Orlon sont des marques de la Société E.I. DuPont de Nemours et Company, et Acrilan est une marque pour une fibre acrylique synthétique fabriquée par Monsanto Company. D'autres exemples de polymères thermoplastiques que l'on peut utiliser comme matériaux fibreux thermoplastiques selon la présente
invention, comprennent le Nylon-6, le Nylon-11, et le Nylon-66.
Le terme Nylon désigne une famille de polymères polyamidiques caractérisés par la présence du groupe amide. Les polyesters comprennent des fils faits à partir d'un polyester linéaire comprenant au moins 85% (en poids) dans la chaîne d'un ester d'un diol et d'acide téréphtalique. Selon la présente invention, la seule exigence pour le matériau fibreux thermoplastique est son aptitude à favoriser l'action de liaison des couches de tissu dans le tissu composite à une température inférieure au
point de fusion, à la température de décomposition, à la tem-
pérature destructrice ou à la température de dégradation du matériau fibreux structural utilisé dans les couches de tissu
et/ou la température de décomposition, la température destruc-
trice ou la température de dégradation du matériau thermoplas-
tique lui-même. Ainsi, un spécialiste peut choisir parmi une grande variété de matériaux fibreux thermoplastiques pour favoriser l'action de liaison requise pour lier les couches
de tissu ensemble. La quantité de matériau fibreux thermoplas-
tique incorporée dans la couche ou les couches du tissu composite n'est pas critique dans la mise en oeuvre de la présente invention aussi longtemps qu'il y a une quantité suffisante de matériau fibreux thermoplastique pour favoriser une action de liaison pour réunir les couches de tissu ensemble dans le composite aux jonctions entre les matériaux fibreux. De plus, la quantité de matériau fibreux thermoplastique dans les couches de tissu peut varier d'une couche à l'autre, et un spécialiste peut aisément déterminer les quantités optimales de matériau fibreux thermoplastique par couche de tissu en se basant sur l'utilisation envisagée pour le tissu composite. Dans un tissu composite, certaines couches peuvent contenir peu ou pas de matériau fibreux thermoplastique tandis qu'une couche adjacente peut comporter des quantités importantes, par exemple
jusqu'à 60 % (en volume) ou plus de matériau fibreux thermo-
plastique (par rapport au volume total de matériau fibreux structural et de matériau thermoplastique dans la couche de tissu). Dans des réalisations recommandées, la quantité de matériau fibreux thermoplastique dans une couche ou nappe de tissu composite va généralement d'une petite quantité mais efficace suffisante pour assurer l'action de liaison, par exemple environ 2,0% en volume jusqu'à environ 25 % en volume par rapport au volume total. Généralement, les réalisations les plus recommandées de la présente invention auront environ 4% en volume à 8 % en volume de matériau fibreux thermoplastique dans une couche ou nappe du tissu composite. Pour la plupart des
utilisations, la quantité minimale de matériau fibreux ther-
moplastique requise pour lier les couches de tissu ensemble, doit maintenir l'intéarité structurale du tissu composite dans son ensemble. Ainsi, même si certaines couches de tissu peuvent avoir des quantités de matériau fibreux thermoplastique incluses dans l'armure, des couches adjacentes de tissu dans le
composite peuvent avoir Deu ou pas de matériau fibreux thermo-
plastique. Ceci se traduit par un tissu composite total ayant
seulement une quantité minimale de matériau fibreux thermo-
plastique, mais une quantité encore suffisante pour assurer
l'action de liaison entre les couches de tissu dans le composite.
La liaison des couches de tissu ensemble corMr7e décrite ci-dessus, peut être permanente ou temporaire selon le matériau fibreux thermoplastique particulier utilisé dans le tissu composite et selon son interaction ou aptitude à la liaison avec le matériau fibreux structural particulier utilisé dans les couches du tissu composite. Par exemple, lorsqu'on utilise des couches de Dacron comme matériau fibreux thermoplastique dans un tissu tissé à partir de fibres de verre, fils de graphite et fibres de Dacron, la fusion de ce matériau fibreux thermoplastique conduit à une liaison temporaire importante des couches dans le tissu composite. Lorsque l'on renforce un tel tissu composite par piquage des nappes à l'état non imprégné, la liaison formée entre la fibre de Dacron et les
autres matériaux fibreux peut être aisément, et est de préfé-
rence, rompue, empêchant ainsi un endommagement des fibres de graphite et de verre lorsque l'aiguille traverse les couches du tissu composite. Le chauffage ultérieur du tissu composite
liera à nouveau toutes couches lâches ou séparées par la mani-
pulation, le piquage, la coupe, etc. On peut appliquer la chaleur requise pour favoriser l'action de liaison par le
matériau fibreux thermoplastique de toute manière convenable.
On peut appliquer cette chaleur au moyen d'un rouleau chauffé, d'un rouleau depression chauffé, d'un moule chauffé, de chaleur
rayonnée, telle que la chaleur fournie parune lampe à infra-
rouge, de plateaux de presse, etc. La manière dont on applique la chaleur pour favoriser l'action de liaison par le matériau 1 0 fibreux thermoplastique n'est pas critique dans la mise en oeuvre de la présente invention. Comme mentionné précédemment, on doit chauffer les couches de tissu au moyen d'un dispositif de chauffage convenable à une température suffisante pour
favoriser l'action de liaison par le matériau fibreux thermo-
plastique incorporé dans les couches du composite.
On peut aisément déterminer la température en déterminant le point de fusion, le point deramollissement ou le point poissage du matériau fibreux thermoplastique particulier utilisé dans le tissu. Comme on l'a mentionné également précédemment, lorsque le matériau fibreux thermoplastique est du Dacron, une température d'environ 2500C est nécessaire pour fondre les fibres de Dacron pour réunir les couches de
tissu structurales ensemble. On a également indiqué précé-
demment d'autres exemples de points de fusion. Dans des réalisations recommandées, le matériau fibreux thermoplastique est fondu au moins une fois pour favoriser l'action de liaison
du matériau fibreux.
Selon la présente invention, on doit placer au moins deux couches de tissu adjacentes l'une à l'autre pour former un composite ou tissu stratifié. Au moins des couches alternées et fréquemment chaque couche comprennent du matériau fibreux thermoplastique dans l'armure. Bien que au moins des couches alternées de l'ensemble de couches empilées doivent comporter du matériau fibreux thermoplastique incorporé dans leurarmure, dans la réalisation recommandée de la présente invention chaque couche ou nappe de tissu du tissu composite se compose d'au moins un type de matériau fibreux thermoplastique. Le spécialiste pourra aisément déterminer une succession convenable de couches, dépendant principalement des propriétées requises du tissu composite fini. Le nombre de couches dans le tissu composite formé par le procédé de la présente invention n'est pas critique
et est déterminé par l'utilisation voulue pour le tissu composite.
Par exemple, un tel tissu composite peut avoir seulement deux couches de tissu ou peut contenir suffisamment de couches ou
nappes de tissu pour former un tissu composite ayant une épais-
seur de 5 à 7 cm ou plus.
Après avoir placé adjacentes les unes aux autres les couches ou nappes de tissu, c'est-à-dire, après avoir empilé
les couches, on lie ces couches de tissu en chauffant le maté-
riau thermoplastique. De préférence on les tasse également au moyen de pression ou par tout autre moyen convenable pour
former des couches de tissu tassées.
La pression, lorsqu'on l'applique, a pour but d'empêcher les couches de tissu de gonfler ou la séparation des couches du stratifié. On recommande d'utiliser la pression et on peut appliquer cette pression au moyen de tout dispositif convenable incluant une pression.positive, par exemple, au moyen de rouleau de pression, plateau, pince ou tout autre dispositif de compression ou une pression négative, c'est-à-dire au moyen d'un dispositif de maintien de vide qui comprime les couches de tissu par un sac de succion ou sous vide pour former des couches tassées. De nombreux moyens de tassement descouches de tissu sont disponibles et sont connus des spécialistes. Il n'est pas critique, selon une forme recommandée du procédé de la présente invention qu'une valeur particulière de pression
soit appliquée pour comprimer les couches de tissu aussi long-
temps qu'elles sont maintenues ensembles. Dans certains cas, peu ou pas de pression est nécessaire. L'application de la
pression et du chauffage peut s'effectuer séparément ou simul-
tanément, par exemple, en utilisant des rouleaux de pression chauffés ou des plaques de pression chauffées. On peut relâcher la pression une fois achevée l'action de liaison du matériau fibreux thermoplastique et de préférence après refroidissement du matériau fibreux thermoplastique ou après avoir effectué les opérations suivantes telles que les opérations de coupe de nappes, l'imprégnation de résines, etc. Lorsqu'on relâche la pression, le tissu composite tassé reste pratiquement àson état tassé si la température du tissu composite a été réduite jusqu'à un point o le matériau fibreux thermoplastique a durci ou s'est solidifié ou a de toute autre façon formé une liaison rigide avec l'autre matériau dans le tissu. Dans certaines réalisationsrecommandées, on peut former le tissu composite en plaçant les couches de tissu adjacentes les unes aux autres dans un moule convenable et en appliquant la pression et la chaleur alors que les couches de tissu sont maintenues dans le moule. Dans d'autres réalisations, on peut simultanément tasser,
chauffer et couper le tissu composite.
Dans certaines réalisations, on peut refroidir le tissu composite comme souhaité, de préférence en refroidissant jusqu'à la température ambiante, après avoir chauffé les couches tassées pour favoriser ou achever l'action de liaison par le matériau fibreux thermoplastique. Le refroidissement peut s'effectuer par tout moyen de refroidissement classique y compris l'air forcé, des fluides en circulation, en permettant au tissu de se refroidir graduellement à la température ambiante, etc. On effectue le refroidissement pour réduire la température du tissu composite tassé en dessous du point de fusion, du point de ramollissementou point de poissage du matériau
fibreux thermoplastique.
Dans une réalisation de la présente invention, on peut appliquer la pression et la chaleur avec un dispositif de coupe convenable. Par exemple, un ensemble de couches de tissu sont empilées successivement adjacentes les unes aux autres, et un dispositif de coupe sous pression convenable ayant des surfaces de coupe chauffées est appliqué aux couches de tissu. Lorsque les bords de coupe du dispositif de coupe viennent au contact des couches de tissu, la pression est appliquée aux couches de tissu pour former des couches tassées de tissu et les couches tassées sont chauffées. L'action de liaison du matériau fibreux thermoplastique est favorisée dans la région des couches de tissu o les bords de coupe chauffés viennent au contact
des couches de tissu.
La rigidité du tissu composite n'est pas critique et dépend de plusieurs variables. Un spécialiste peut rendre optimale et/ou ajuster la rigidité comme voulu en réglant divers paramètres, par exemple, l'épaisseur de chaque nappe, l'épaisseur du composite, le nombre de nappes,le type, la taille et la quantité de matériau fibreux structural de renforcement, le type et la quantité de matériau fibreux thermoplastique, et des paramètres facultatifs tels que l'imprégnation de résine, le durcissement de la résine, le piquage etc. La préforme rigidifiée préparée selon le procédé de la présente invention peut être facilement manipulée lors des
Opérations suivantes sans endommagement des fils structuraux.
La préforme composite pratiquement sèche tridimensionnelle de couches de tissu liées les unes aux autres peut être piquée avec des fils finis de résistance élevée pour introduite des fibres de renforcement transverses aux nappes dans la direction intrinsèquement faible du tissu composite. On peut utiliser des techniques et moyens de piquage classiques. On recommande généralement de renforcer la préforme composite dans la direction de l'axe Z (les axes X et Y étant les directions de chaîne et de trame respectivement). La direction Z est per- pendiculaire au plan du tissu et définit généralement la direction transversale aux nappes. On peut utiliser dans le
piquage divers fils, fils finis ou fibres, classiques disponibles.
Un fil recommandé pour le piquage transversal aux nappes est une fibre de polymère organique synthétique vendue comme fibre Aramide par E.I. DuPont de Nemours et Cie sous la marque Kevlar. La préforme composite sèche ayant les couches de tissu liées les unes aux autres peut être imprégnée avec une résine par des procédés de moulage par transfert de
résine sous pression bien connue,classique, suivi d'un durcis-
sement pour produire un composite moulé renforcé. On peut utiliser des résines classiques disponibles dans le commerce pour l'imprégnation de résine du tissu, et les techniques recommandées englobent l'injection de résine dans le tissu
composite alors que le tissu se trouve dans un moule.
La suite de la description de réfère aux figures annexées
qui représentent respectivement: - figure 1, une vue en perspective partielle d'une couche unique de tissu tissé montrant un exemple de distribution des fils; - figure 2, une vue en perspective partielle d'une couche unique de tissu tissé montrant une autre distribution de fils et figure 3, une vue en perspective partielle d'un ensemble de couches de tissu tissé dans un empilement avant l'étape de chauffage. Sur la figure 1 on a représente en perspective et de façon partielle une couche type de tissu fait de deux matériaux fibreux structuraux de renforcement et d'un matériau fibreux thermoplastique. La représentation agrandie d'un segment d'une couche de tissu qui peut être utilisée pour fabriquer la préforme de tissu composite dans le procédé de la il présente invention est un tissu tissé, comprenant le fil structural 2, par exemple, un fil fait de filaments de carbone comme fil principal, un fil d'hybridation 4, par exemple, de
la fibre de verre comme fil secondaire et le fil thermoplas-
tique 6, par exemple, un fil fait de fibres de Dacron, dans la direction de la chaîne. Le fil d'hybridation 8, par exemple, de la fibre de verre, et le fil stuctural 10, par exemple, un fil fait de filaments de carbone, sont représentés dans la
direction de la trame. Selon le procédé de la présente inven-
tion pour la fabrication d'une préforme de tissu composite, un ensemble de couches de tissu comme illustré sur la figure 1 sont empilées adjacentes les unes aux autres. On applique alors une pression aux couches de tissu pour former des couches
tassées de tissu et les couches tassées ou une partie de celles-
ci sont chauffées à une température suffisante pour favoriser l'action de liaison par le matériau fibreux thermoplastique 6 entre les couches de tissu. Lorsqu'on réduit la température en-dessous de la température de liaison, une liaison temporaire ou permanente s'est formée entre les couches de tissu, et les
couches de tissu restent tassées lorsqu'on relâche la pression.
Selon la présente invention, on peut appliquer la chaleur
à la totalité du tissu ou à des parties choisies du tissu.
Par exemple, dans certains cas, il peut être souhaitable d'appliquer la chaleur dans les zones du tissu o l'on doit effectuer des coupes pour réunir les couches seulement là o les bords de coupe viennent au contact du tissu, empêchant ainsi le glissement ou le déplacement des couches et/ou réduisant
l'effilochage des fils, fibres ou filaments aux bords coupés.
Dans une autre réalisation illustrée à la figure 2, qui montre également une vue en perspective partielle agrandie d'une couche de tissu qui peut être utilisée dans le procédé
de la présente invention, on utilise du matériau fibreux thermo-
plastique 24 et 30 à la fois dans les directions de la chaîne et de la trame du tissu tissé. Sur la figure 2, le fil structural 20, par exemple, un filament de carbone; le fil d'hybridation 22, par exemple de la fibre de verre; et le fil thermoplastique 24, par exemple, du Dacron; sont utilisés dans la direction de la chaîne. Egalement, le fil d'hybridation 26, par exemple, de la fibre de verre; le fil structural 28, par exemple, un filament de carbone; et le fil thermoplastique 30, par exemple du Dacron, sont utilisés dans la direction de la trame. Les fils thermoplastiques 24 et 30, lorsqu'ils sont utilisés tous deux dans la direction de la chaîne et de la trame, fournissent des fibres supplémentaires de matériau fibreux thermoplastique (comparés à la réalisation de la figure 1) pour promouvoir une action de liaison supplémentaire et plus sûre par le matériau
fibreux thermoplastique.
Sur la figure 3, deux couches ou nappes 40 et 50 repré-
sentant un ensemble de couches de tissu de la figure 1, sont placées successivement adjacentes l'une à l'autre pour former un ensemble empilé de tissu. L'illustration sur la figure 3 est représentée en perspective partielle,agrandiepour montrer l'empilement des couches du tissu avant la liaison par le matériau fibreux thermoplastique 6 dans chaque couche représentée par les couches 40 et 50. Comme le montre la figure 3, les deux couches sont identiques. Cependant, la présente invention englobe l'utilisation de toutes configurations particulières de couches, ou des mélanges de configurations, telles que des couches alternées tissées et/ou non tissées contenant du matériau fibreux thermoplastique et des couches sans matériau fibreux thermoplastique et l'utilisation de différents matériaux de tissu dans le tissu composite. Comme expliqué ci- dessus, en liaison avec une réalisation recommandée de la présente invention, lorsqu'on comprime ou tasse l'ensemble de couches, représenté par les couches 40 et 50, à l'aide de moyens classiques, et que
l'on chauffe le tissu ou on le soumet à la chaleur à une tempé-
rature suffisante pour favoriser l'action de liaison par le matériau fibreux thermoplastique à, les couches 40 et 50 se
lient l'une à l'autre.
On peut effectuer le piquage avant le pincement ou la liaison ou la fusion des couches. Cependant, selon la présente invention, les réalisations recommandées englobent le piquage pour former un renforcement transversal aux-nappes au moyen de fils finis ou fibres, après la fusion des matériaux fibreux thermoplastiques en une préforme composite sèche. De plus, dans les réalisations recommandées, le tissu composite formé par le procédé de la présente invention peut être refroidi, piqué dans toutes directions y compris la direction transversale aux nappes,imprégnê de résine, coupé etc. ou subir toute combinaison des opérations précédentes, à volonté. Par exemple, dans une réalisation recommandée pour fabriquer un élément de base de turbo- machine telle qu'une aube de soufflante d'un moteur à réaction, à partir d'une préforme de tissu composite rigide fabriquée selon la présente invention, la préforme tassée, chauffée ayant du matériau fibreux thermo-
plastique fondu, estrefroidie en-dessous du point de fusion
du matériau fibreux thermoplastique de préférence à la tempé-
rature ambiante, pour solidifier le matériau thermoplastique.
On relâche alors la pression appliquée sur le tissu composite tassé etle refroidit puis l'on pique alors le composite dans la
direction transversale aux nappes avec un fil de renforcement.
Une fois le piquage terminé, la préforme piquée est imprégnée avec une résine par injection sous pression et chauffée pour durcir la résine. On refroidit alors la préforme et on peut l'utiliser en tant que produit final. Dans une autre réalisation recommandée, le tissu composite tassé, chauffé ayant du matériau fibreux thermoplastique fondu est piqué dans la direction transversale aux nappes ou toute autre direction convenable avant son refroidissement et/ou avant le relâchement de la pression. Le tissu composite piqué est alors refroidi, puis on relâche la pression et on le coupe. Le tissu composite piqué, coupé peut alors être facultativement imprégné de résine. Ainsi, les types généraux de structures utilisant la présente invention inclus la préforme de tissu composite sèche n'ayant pas d'imprégnation de résine et pas de piquage, la préforme de tissu composite ayant un piquage de renforcement dans la direction Z, une structure composite de la préforme ayant une résine imprégnée à l'intérieur; et une structure de tissu composite de la préforme ayant à la fois un piquage de renforcement et une imprégnation de résine. Naturellement,
on pourra imaginer d'autres variations et étapes facultatives.
Comme expliqué ci-dessus, on peut utiliser selon la pré-
sente invention pour fabriquer la préforme de tissu composite, toutes combinaisons de couches ou nappes, de matériauxfibreux structuraux et de matériaux fibreux thermoplastiques dans des couches ou nappes au moins agencées successivement de façon alternée. De plus, on pourra utiliser dans la présente invention tout poids de tissu, modèle de maillage ou d'armure, texture, répartition de fils, etc. utilisés classiquement pour des tissus composite et des préformes. On peut utiliser dans de tels tissus tissés des armures unies, crêpées, semi-crêpées et tout autre motif d'armure convenable. Cependant, dans des réalisations recommandées, les armures semi- crêpées offrent un degré supérieur de facilité de manipulation résultant de l'addition de matériau fibreux thermoplastique, par exemple des fils de Dacron dans la direction de la chaîne, tissés en
paires, formant un point noué da gaze dans la direction -
de la chaîne du tissu. Le chauffage ultérieur de ce tissu pour la formation d'une préforme de tissu composite, selon la
présente invention, arrête encore le matériau fibreux structu-
ral par la fusion des fils fibreux thermoplastiques ensembles aux joints ou jonctions o les fils fibreux thermoplastiques coupent ou sont en contact d'autres fils, fibres, filaments ou
fils finis.
On a trouvé selon la présente invention que lorsqu'on utilisait du Dacron comme matériau fibreux thermoplastique dans une préforme de tissu composite et que le tissu est formé en chauffant le tissu composite ou les couches ou nappes de tissu au point de fusion du Dacron, une pénétration ultérieure de l'aiguille pendant le piquage de la préforme composite refroidie, et avant imprégnation, se traduit parun endommagement minimal des fibres, comme décrit précédemment. De plus, il y a peu ou pas d'effilochage des filaments et fils du tissu composite fait par le procédé de la présente invention du à la coupe ou à d'autres opérations effectuées sur la préforme du tissu composite
une fois que les Matériaux thermoplastiques sont liés.
Il est à la porté de l'homme de l'art de fournir divers traitements de surface, produits de finition, primaires et
autres additifs adjuvants pour améliorer la liaison, la résis-
tance au cisaillement, la texture etc., des tissus composites de la présente invention. L'épaisseur de chaque nappe ou couche peut varier à volonté. Généralement, dans des réalisations recommandées, l'épaisseur de chaque nappe ou couche varie de 0,05 mm à 0,6 mm, cependant, ceci n'est pas limitatif de la
présente invention.
Des tissus composites,piqués ou non, imprégnés de résine ou non, etc., sont bien connus dans la technique et ont de
nombreuses utilisations. Une utilisation particulière du procé-
dé et de la préforme de la présente invention, imprégnée avec un liant de résine, est la fabrication d'éléments d'aubage, tels que des aubes de soufflante pour moteurs à réaction. Ces composites imprégnésde résine ont une excellente durabilité,
résistance aux chocs et rigidité pour de telles applications.
La fusion ou liaison de couches ou nappes de tissu ensemble,par du matériau fibreux thermoplastique, pour fournir la préforme, améliore notablement la facilité de manipulation de la préforme on peut aisément la couper avec un endommagement minimal de la préforme et de ses composants individuels tels que les fils, fibres et filaments. Le découpage des nappes peut s'effectuer à n'importe quel moment du procédé de la présente invention, mais s'effectue de préférence après la liaison ou fusion des couches. Toute technique de coupe de nappes classique peut être utilisée. A titre d'exemple de techniques de coupe des nappes on peut citer la technique de presse d'emporte-pièces, (matrice ayant des bords de coupe aigus), des couteaux vibrants
et le découpage au faisceau laser.
Les couches de tissu dans la préforme de la présente invention peuvent être unidirectionnelles, c'est-à-dire, que
les fibres sont orientés de telle sorte qu'elles soient prati-
quement alignées suivant une unique direction, ou elles peuvent être multidirectionnelles, les fibres étant alors agencées perpendiculairement les unes aux autres ou à tout angle voulu les unes par rapport aux autres. Les nappes distinctes peuvent être agencées de sorte que les chaînes de chaque couche soient disposées dans la même direction ou perpendiculaire à la couche
précédente ou à tout autre angle souhaitable.
Exemple 1
On a fabriqué un tissu hybride en tissant un fil structural identifié comme Thornel 300, un fil de filamentsde carbone fabriqué par Union Carbide Corporation; un fil d'hybridation structural, un fil de fibre de verre identifié comme verre S et fourni par Pittsburgh Plate Glass Industries; et du matériau fibreux polyester thermoplastique Dacron dans la direction de la chaîne. Le fil structural Thornel 300 et le fil de verre S étaientutilisés dans le sens de la trame. Le
modèle d'armure étaitunmodèle unidirectionnel semi-crêpé.
Dans la direction de la chaîne, le filament structural était constitué de 10 fils de fil de carbone à 6000 filaments en matériau Thornel 300; le verre S-2 était constitué de 10 fils de fibre de verre ayant un poids par unité de longueur de /10; et le matériau fibreux thermoplastique en Dacron avait deux couches (70 deniers) avec 20 fils. La trame était constituée de 6,75 duites de fil à 1000 filaments en matériau Thornel 300 et de 2,25 duites de fibre de verre ayant un poids par unité de longueur de 150/10. Le poids du tissu était de 143,4 g/m2, et l'épaisseur moulée était de 0,023 cm. La répartition des fibres dans le tissu était de 5,70 % en poids, (7,4% en volume) de matériau Dacron, 15,93% en poids (11,5% en volume) de verre
S, et 78,37 % en poids (81,1% en volume) de filaments de carbone.
On a empilé des couches de tissu tissé suivant un motif undirectionnel, et le nombre de couches de tissu ou nombre de nappes de tissu était tel que le produit tassé fini avait environ 6,3 cm d'épaisseur. On empilait les couches de tissu dans un moule, on les tassait sous pression et on les chauffait au point de fusion du matériau Dacron, 2500C. Après avoir fondu le matériau Dacron, on a refroidi la préforme de tissu composite à la température ambiante. Un échantillon de la préforme peut être piqué et on a noté un faible endommagement des fibres dans la zone des piqûres de l'aiguille. On a injecté dans le moule sous pression un mélange de résine époxy catalysée, à savoir 50% en poids d'Araldite 6005 et 50% en poids de résine EPN 1138 fournit par Ciba-Geigy Corp. On a fait durcir la résine en chauffant et on a refroidi l'article imprégné de résine et on l'a retiré du moule. On a fabriqué des aubes de soufflante simulées de moteur à réaction. Les propriétés mécaniques du composite étaient pratiquement identiques aux propriétés mécaniques du ruban pré-imprégné de l'art antérieur utilisant une séquence d'empilage de nappes pour aube classique
de 00, 350, 00, -35 , comme indiqué dans l'exemple 2.
Exemple 2
On a fabriqué des articles composites par le procédé et avec le tissu de l'exemple 1 à partir d'une série de panneaux d'essai de 29,2 cm x 29,2 cm x 0,20 cm en utilisant la forme bidirectionnelle de tissu tissé. On a évalué deux modèles d'empilage, à savoir, [00, 350, , -350]S et [0018. Dans l'orientation 0 , 350, 0 -35 , les fils structuraux des couches de tissu étaient disposés consécutivement aux angles indiqués, (les uns par rapport aux autres), et l'indice S désigne un empilage image dans un miroir équilibré de l'orientation indiquée ou un total de huit couches ou nappes. Dans l'orientation [0018 tous les fils structuraux étaient alignés dans la même direction, et l'indice 8, désigne huit couches ou nappes. On a injecté le mélange de résines époxy décrit à l'exemple 1 dans les préformes. On a indiqué dans le tableau I ci-dessous les propriétés mécaniques dans la direction de la chaine et dans la direction de la trame. Dans le tableau I, la résistance à la traction est donnée en daN/rLm2; le module Young désigné est donné en daN/mm2; la résistance à la traction en daN/mm 2 et la résistance au cisaillement dans l'essai de cisaillement
interlaminaire (Short-beam) en daN/mm 2, à la fois dans la direc-
tion de la cha5ne et dans la direction de la trame. Tous les essais ont été effectués à température ambiante. Les essais comparent deux panneaux d'essai contenant des fils de Dacron scellés à chaud (panneaux 1 et 2) avec un troisième panneau (panneau 3) faits par la technique de l'art antérieur, le troisième panneau ayant une orientation équilibrée de huit
couches[00, 350, 00, -35O]S sous la forme d'un ruban unidirec-
tionnel (fibres de feuilles planes) fait à partir de fibres de carbone traitées et de fibres de verre S.
TABLEAU I
PROPRIETES MECANIQUES DES PREFORMES COMPOSITES A RESINE INJECTEE
COMPORTANT DU MATERIAU FIBREUX THERMOPLASTIQUE
(Toutes les mesures ont été faites à la température ambiante)
SENS DE LA CHAINE
SENS DE LA CHAINE
Panneau Résistance Module Résistance Module Cisaille- Résistance Module Résistance Module Cisaille-
à la d'Young à la d'Young ment à la d'Young à la d'Young ment traction flexion traction flexion (daN/mm2) (daN/mm2)(daN/mm2) (daN/mm2) (daN/nn2) (daN/mm2) (daN/mm2) (daN/mm2) (daN/mm2) (daN/mm 1.
[0O, 350, 0 , -35 ]S
contient du Dacron fondu
2. [0 ]
contient du Dacron fondu 3.
[0, ' 35'0, 00, -350]S
Pas de Dacron fondu
51,9 4308,3 91;3
71,3 74,7
7997 120
8065,9 113,75
8203,8
,7 6,4 8,55 14,4 9,3 8,5 1.999
22,1 1447,74 2,6
co i.723,5 19,2 1516,68 2,34
1.311,9 18,5 1765
4,89 ch Lnl oe o' r En se référant au tableau I, on peut en conclure que les panneaux de la présente invention (panneaux n0 1 et n0 2) ont des propriétés mécaniques pratiquement égales comparées aux panneaux de l'art antérieur o le tissu ne contient pas de Dacron. Ainsi, le matériau fibreux thermoplastique qui amélio- rait l'aptitude à la manipulation du composite ne compromet pas la résistance mécanique du tissu composite, et on peut également en conclure qu'il n'y a pas. de perte de résistance mécanique même lorsque les fils structuraux du tissu sont tous
alignés dans la même direction (panneau n0 2).
Exemple 3.
On a fabriqué selon le procédé de l'exemple 1 deux préformes injectées de résines différentes. Un échantillon contenant le fil de Dacron était chauffé à une température supérieure à 2500C pour faire fondre le fil de Dacron et l'autre échantillon
contenant du fil de Dacron n'était pas chauffé. Chaque échan-
tillon avait neuf couches, et le motif d'empilement ou orienta-
tion des fils structuraux était 0 . On a comparé dans le tableau II cidessous les propriétés mécaniques à température ambiante des deux articles composites moulés par transfert de résine
(sans piquage).
TABLEAU II
EFFET DU CHAUFFAGE DU MATERIAU FIBREUX THERMOPLASTIQUE
DANS DES PIECES COMPOSITE CONTENANT DU MATERIAU FIBREUX
THERMOPLASTIQUE TISSE.
Sens de la chaîne Panneau Résistance Module Résistance Module Cisaillement à la traction d'Young à la d'Young 2 flexion222 (daN/mmn) (daN/mm2>(daN/mm2) (daN/mm2) (daN/mm2)
1. NON CHAUFFE 91,00 8872,5 116,50 8279,7 7,36
2. CHAUFFE 91,69 9327,5 115,22 8031,5 6,61
Les résultats du tableau II montrent qu'il n'y a pas de dé-
gradation de la résistance à la traction et à la flexion et des modules dans la direction de la chaine lorsque les matériaux fibreux thermoplastiques (fils de Dacron) sont fondus dans une préforme composite tissée à neuf couches imprégnées avec de la résine. Ainsi l'aptitude améliorée à la manipulation, réduit l'effilochage pendant la coupe et d'autres avantages obtenus avec la préforme composite fabriquée par le procédé de la présente invention ne compromettent pas la résistance mécanique
des composites multicouches.
Dans certains cas, les résultats ont indiqué une réduction potentielle des propriétés de flexion dans le sensde la chaîne probablement créée par le retrait initial du fil thermoplastique de Dacron avant sa fusion et la distorsion résultante des fils structuraux de la chaîne. Cependant, dans ces cas, les propriétés de résistance au cisaillement interlaminaire et transversalles étaient basiquement non affectées. On peut remédier à ceci par suppression supplémentaire ou charge de tassement supplémentaire sur la préforme pour restreindre le déplacement
des fibres pendant la phase de fusion ou de chauffage du procédé.
Indépendamment de la réduction des propriétés de flexion dans le
sens de la chaîne, l'aptitude améliorée à la manipulation, l'effi-
lochage réduit lors de la coupe et d'autres avantagesdes préformes composites fabriquées par le procédé de la présente invention
restent inchangés.
Selon la présente invention, la préforme composite faite par le procédé de la présente invention remédie à plusieurs inconvénients de l'art antérieur y compris des problèmes de manutention normalement rencontrés avec les couches dans les stratifiés ou composites detissu. Les propriétés de manipulation de préformes de tissu sèches et de couches de tissu sèches utilisées pour la formation de matériau en tissu composite ont été améliorées par l'incorporation de matériau fibreux thermoplastique et la liaison de celui-ci dans les tissus faitsprincipalement de matériauxfibreux structuraux qui sont normalement glissants et dificiles à manipuler lorsqu'on empile les couches les unes sur les autres. La préforme composite faite par le procédé de la présente invention peut être maintenue mécaniquement dans sa forme structurale sèche pour le coupage et autres opérations, et l'effilochage et endommagementsultérieurs des fils et
fibres ont ainsi été réduits et pratiquement éliminés.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1. Article manufacturé comprenant un composite d'un ensemble de couches de tissu incluant du matériau fibreux structural,(2,4, 8,10) l'ensemble de couches étant disposé en un empilement avec les couches successives adjacentes et en contact les unes avec les autres, caractérisé en ce qu'il comprend: - une première couche de tissu (40) adjacente à une seconde couche de tissu (50 de l'ensemble de couches; la première couche incluant dans son armure un matériau fibreux thermoplastique (6) entremêlé avec le matériau fibreux structural (2,4,8,10): les premières
et secondes couches étant liées ensemble par le matériau thermo-
plastique ou jonction entre le matériau fibreux dans la première
et la seconde couches.
2. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une résine imprégnant l'ensemble de couches.
3. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des première et seconde couches comprend dans son armure un matériau fibreux thermoplastique entremêlé avec le
matériau fibreux structural.
4. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois couches, chacune des couches
alternées comprenant dans son armure du matériau fibreux thermo-
plastique entremêlé avec le matériau fibreux structural.
5. Article selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque couche comprend dans son armure le matériau fibreux
thermoplastique entremêlé avec le matériau fibreux structural.
6. Article selon l'une quelconque des revendications 1 à
, caractérisé en ce que le matériau fibreux thermoplastique
est choisi dans le groupe comprenant les polyamides, polyacry-
liques, polyesters, polyoléfines ramolissables par chauffage,
et les dérivés des précédents et leurs mélanges.
7. Préforme de tissu composite sèche caractérisée en ce qu'elle comprend: en ensemble de couches de tissu (40, 50) comprenant chacune du matériau fibreux structural (2, 4, 8, 10); l'ensemble de couches étant disposé en un empilement avec les couches successives adjacentes et en contact les unes aux autres; au moins une couche sur deux de l'empilement comprenant dans son armure un matriau fibreux thermoplastique (6) entremêlé avec le matériau fibreux structural, l'ensemble de couches étant liées ensemble sur le matériau thermoplastique aux jonctions entre lesmatériaux fibreux.
8. Préforme selon la revendication 7, caractérisée en ce que chacune des couches de l'ensemble comprend dans son armure du matériau fibreux thermoplastique entremêlé avec le matériau
fibreux structural.
9. Préforme selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le matériau fibreux thermoplastique est choisi dans le groupe comprenant les polyamides, les polyacryliques, les polyesters, les polyoléfines ramollissables à la chaleur, leurs
dérivés et leurs mélanges.
10. Article manufacturé caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de couches de tissu tissé (40,50) coeprenant chacune du matériau fibreux structural (2,4,8,10) fait de fibres de matériau choisis dans le groupe comprenant le carbone, le graphite, le verre,
le bore, le silicium les matériaux réfractaires et leurs combi-
naisons, l'ensemble de couches étant disposé en un empilement avec les couches successivement adjacentes et en contact les
unes avec les autres; au moins une couche sur deux de l'empi-
lement incluant dans son armure un matériau fibreux thermoplas-
tique (6) entremêléavec le matériau fibreux structural et choisi dans le groupe comprenant les polyamides, les polyacryliques, les polyesters, les polyoléfines ramollissables à la chaleur, leurs dérivés et leurs mélanges; l'ensemble des couches étant liées ensemble par le matériau thermoplastique fondu aux jonctions entre les matériaux
fibreux; et une résine imprégnant l'ensemble de couches.
11. Procédé de fabrication d'une préforme de tissu composite sèche, caractérisé en ce qu'il consiste à fournir un ensemble de couches d'un premier tissu qui comprend dans son armure un matériau fibreux thermoplastique entremêlé avec un matériau fibreux structural; à déposer l'ensemble de couches en un empilement avec les couches successives adjacentes les unes aux autres; et à chauffer les couches à une température suffisante pour favoriser une action de liaison par le matériau fibreux
thermoplastique en jonction entre les matériaux fibreux.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que une pression est appliquée à l'empilement pour fournir des couches tassées pendant le chauffage.
13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'une couche d'un second tissu essentiellement en un matériau fibreux structural est disposé entre au moins une paire de l'ensemble de couches adjacentes du premier tissu de l'empilement
avant l'application de chaleur.
14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le matériau fibreux thermoplastique est fourni dans une gamme allant d'une quantité faible mais efficace suffisante pour assurer l'action de liaison jusqu'à environ 70% en volume
du volume total de la couche.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le matériau fibreux thermoplastique est fourni dans la
gamme de 2 à 25% en volume.
16. Procédé de fabrication d'un article composite, carac-
térisé en ce qu'il consiste à: - fournir un ensemble de couches de tissu tissé comprenant chacune du matériau fibreux structural fait de fibres de matériau choisis dans le groupe comprenant le carbone, le graphite, le verre, le bore le silicium les matériaux réfractaires et leurs combinaisons; - disposer l'ensemble de couches en un empilement avec les couches successives adjacentes et en contact les unes aux autres;
- au moins une couche sur deux de ces couches dans l'empi-
lement comprenant dans son armure un matériau fibreux thermoplas-
tique entremêlé avec le matériau fibreux structural et choisi dans le groupe comprenant les polyamides, les polyacryliques, les polyesters, les polyoléfines ramollissables à la chaleur, leurs dérivés et leurs mélanges; - le matériau fibreux thermoplastique, dans les couches dans lesquelles il est inclus, constituant d'une retitequantité mais efficace, suffisante pour favoriser une action de liaison jusqu'à environ 60% en volume du volume total de la couche; - appliquer la pression à l'empilement pour fournir des couches tassées tout en chauffant les couches tassées à une température suffisante pour favoriser l'action de liaison par le matériau fibreux thermoplastique et la jonction entre les matériaux fibreux pour fournir une préforme de tissu composite sèche; et
- imprégner la préforme avec une résine.
17. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce
que chaque couche comprend du matériau fibreux thermoplastique.
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