FR2523899A1 - Ensemble composite de construction, notamment pour recipient, et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN MATERIAU COMPOSITE DE CONSTRUCTION. ELLE SE RAPPORTE A UN MATERIAU COMPOSITE COMPRENANT UNE FEUILLE ONDULEE 30 PLACEE ENTRE DEUX FEUILLES PLANES 10, 20. SELON L'INVENTION, LA FEUILLE INTERMEDIAIRE 30 EST ARMEE DE FIBRES 32 QUI FORMENT, AVEC L'AXE 31 DES ONDULATIONS, UN ANGLE D'ENVIRON 15. DE PREFERENCE, LES FEUILLES PLANES 10 ET 20 SONT AUSSI ARMEES DE FIBRES QUI FORMENT AUSSI UN ANGLE D'ENVIRON 15 AVEC L'AXE DES CANNELURES. LE MATERIAU COMPOSITE FORME, EVENTUELLEMENT AVEC PLUSIEURS FEUILLES INTERMEDIAIRES, A UNE TENACITE PARTICULIEREMENT IMPORTANTE COMPTE TENU DE SA RESISTANCE MECANIQUE ET DE SA RIGIDITE. APPLICATION A LA FABRICATION DE RECIPIENTS LEGERS ET RESISTANTS.

Description

La présente invention concerne la technique des matériaux manufacturés

armés de fibres En outre, elle

concerne des procédés d'arrangement de fibres et un en-

semble composite.

Le bois est un matériau composite naturel formé de cellules tubulaires liées par la lignine,les parois des cellules étant formées par des fibres de cellulose

orientées en hélice.

Le contreplaqué est un matériau partiellement manufacturé dans lequel l'orientation naturelle du bois est modifiée par utilisation d'épaisseurs de couches et d'orientations du fil spécifiées afin que les propriétés

voulues d'une feuille soient améliorées ou accrues.

Au cours des vingt-cinq dernières années, la capacité industrielle de fabrication de fibres extrêmement minces, flexibles et remarquablement résistantes à partir

de verre, de carbone et d'autres matériaux a fait appa-

raitre des matières composites nouvelles et totalement manufacturées à partir de fibres de verre (de carbone, etc) disposées dans des stratifiés orientés, tissées sous

forme d'étoffe ou déposées sous forme d'un feutre d'orien-

tation aléatoire, les interstices entre les fibres étant saturés d'un polymère thermoplastique ou thermodurcissable

à l'état liquide visqueux, qui subit ensuite une polymérisa-

tion thermique ou chimique à l'état solide Des objets et matériaux rigides de construction réalisés de cette

manière sont appelés de façon générique "matériaux com-

posites de matière plastique armée de fibres (PAF)".

Jusqu'à présent, les ingénieurs et les concep-

teurs se sont intéressés essentiellement aux limites de la contrainte de rupture d'un matériau, c'est-à-dire aux déterminations de la force nécessaire à la production d'une surface donnée de rupture, ce paramètre étant exprimé par

exemple en newtonspar mètre carré (N/m 2).

Plus récemment, on a constaté qu'il était plus utile de considérer non seulement la force mais aussi

l'énergie nécessaire à la production d'une surface de rup-

ture Cette énergie par Unité e srfa Ce est appe 14 e tra-

vail à la rupture d'une matière et on a constaté qu'elle

donnait une meilleure indication du comport;ement d'un ma-

tériau dans des conditions réelles d'application de forces que la seule contrainte à la rupture Ce paramètre consti- tue habituellement le meilleur moyen de prédiction des

tolérances aux détériorations.

Le travail à la rupture ou le travail de rupture désigne un paramètre analogue à plusieurs autres expressions de la ténacité efficace d'un matériau, telle que la ténacité

à la rupture et l'intensité critique des contraintes.

Divers essais sont actuellement utilisés pour la détermination du travail à la rupture Dans le cas des éléments stratifiés de matière plastique armée de fibres, le travail, qui est dû essentiellement au délitement et au mécanisme d'arrachement des fibres, peut être mesuré par application d'une traction jusqu'à arrachement, à

un échantillon, dans un appareil d'essais de traction.

Dans le cas d'autres matériaux très tenaces, le travail

à la rupture est déterminé traditionnellement par les es-

sais "Charpy" ou "Izod" qui comprennent le basculement d'un lourd pendule afin qu'il vienne casser une courte

éprouvette du matériau, ayant une encoche du côté fonc-

tionnant à la traction Le rapport (a) du travail néces-

saire à la rupture de la courte éprouvette composite en-

taillée dans les essais Charpy/Izod à (b) la section de la surface exposée de fracture est calculé et constitue

le travail à la rupture du matériau.

Des exemples de valeurs du travail à la rupture de certaines matières courantes sont 5 10 J/m 2 pour le papier non renforcé, indiquant que le matériau se déchire facilement, 10 J/m 2 pour le -bois, cette valeur du travail à la rupture étant acceptable pourvu que les contraintes de travail soient modérées, et 105 à 106 J/m 2 dans le cas de l'acier et de l'aluminium ductiles, cette valeur étant excellente et indiquant un degré élevé de tolérance

des détériorations.

Bien que de nombreuses matières thermoplas-

tiques telles que le "Nylon" aient des valeurs de travail suffisamment élevées pour qu'elles puissent être utilisées dans des applications qui ne sont pas trop délicates, leur raideur ne convient pas inévitablement à des panneaux de

grande dimension Les matières composites solides clas-

siques de matière plastique armée de fibres, notamment de fibres de verre, qui sont plus raides, ont une valeur marginalement acceptable du travail à la rupture de 103 à

104 J/m 2 Cependant, on considère que cette valeur ne con-

vient pas à de nombreuses applications d'encaissement de chargespouvant subir des chocs Un problème fondamental est dû au fait que le travail à la rupture des matières composites PAF classiques est tel que les structures sont

vulnérables à une rupture catastrophique.

Il est important de reconnaitre que, bien qu'on

ait consacré beaucoup d'efforts à la mise au point de ma-

tières composites PAF ayant une raideur et une résistance mécanique élevées, le travail de recherche consacré aux

essais de réalisation de tels matériaux suffisamment te-

naces ou tolérants aux détériorations pour qu'ils entrent en concurrence avec les métaux ductiles, dont l'excellente aptitude à la déformation et à l'absorption d'énergie sans

fissuration sous contrainte est "s Ore" dans de nombreuses ap-

plications de construction, a été relativement faible

jusqu'à une période récente.

Lors de la mise au point de structures relati-

vement légères, les concepteurs ont constamment recherché les matériaux destinés à travailler sous des contraintes

de plus en plus élevées alors que, simultanément, une rai-

deur spécifique plus élevée est nécessaire afin qu'elle empêche la gauchissement sous l'action des contraintes de compression Lors de la mise au point des aciers de résistance mécanique élevée, on a reconnu pendant longtemps que, en général, la résistance mécanique élevée ne pouvait

être obtenue qu'au détriment de la ductilité et, en consé-

quence, de la ténacité Un plus faible travail à la rup-

f 3899 4- ture, associé à de plus qandes contrairtee de travail, indique que de tels matériaux ne doivent dtre utilisés que dans des éléments qui ne sont pas soumis à des chocs

élevés et lorsque la dimension des défauts peut être mai-

trisée d'une manière fiable Les matériaux composites con-

tenant des fibres utilisent la résistance mécanique poten-

tielle élevée des matériaux essentiellement fragiles En outre, les matériaux en Siombre relativement faible qui

possèdent une raideur spécifique élevée (le bore, le car-

bone, le carbure de silicium, etc) sont par nature es-

sentiellement fragiles, car ils se comportent élastiquement jusqu'à la rupture et on ne peut les utiliser que sous forme de fibres La raison de ce comportement est que, dans une matière composite armée de fibres, les défauts apparaissant naturellement dans les fibres individuelles, bien qu'ils provoquent une rupture prématurée de la fibre considérée, n'entraînent pas une rupture catastrophique de l'ensemble du matériau composite Ce comportement est

dû à la résistance mécanique relativement faible du maté-

riau formant le liant et de l'interface des fibres et

du liant Ce mécanisme rend les matériaux composites con-

tenant des fibres suffisamment insensibles aux défauts microscopiques pour que des résistances mécaniques très élevées puissent être obtenues Cependant, sous leur forme classique, leur travail à la rupture ne convient pas aux applications qui nécessitent un degré élevé de tolérances

des détériorations.

La rigidité à la flexion peut être déterminée comme étant le produit ( 1) du module d'Young du matériau (E) et ( 2) d'une fonction du moment d'inertie (I) de la structure de forme géométrique déterminée Dans le cas d'un organe de construction et d'une tâche fonctionnelle

donnée, c'est l'art de l'ingénieur de coordonner la con-

figuration géométrique de la structure ( 1) à la sélection

convenable d'un matériau <E) donnant la rigidité néces-

saire Cependant, la sélection du matériau est normalement imposée ou au moins limitée par des considérations de cot

ou de comportement en fonction des conditions d'utilisa-

tion si bien que l'ingénieur ne dispose plus que de la

configuration géométrique de l'organe comme paramètre.

Cependant, lorsque la rigidité est obtenue par un des-

sin géométrique convenable, le poids de l'organe résul-

tant est directement relié à ce dessin Dans les appli-

cation aux véhicules tels que les avions, les automobiles

et les navires, le poids a une importance primordiale.

Pour cette raison, le concepteur du véhicule doit aussi prendre en considération la densité du matériau qu'il choisit.

On a décrit rapidement jusqu'à présent les rela-

tionsentre la résistance mécanique, la ténacité, la rigi-

dité et le poids Bien qu'aucun essai ne reflète avec pré-

cision une combinaison harmonieuse de ces propriétés des matériaux pouvant guider le concepteur dans sa sélection,

la propriété calculée que constitue le travail spécifi-

que à la rupture est extrêmement utile Cette propriété

d'un matériau particulier est obtenue sous forme du quo-

tient du travail à la rupture du matériau, comme indiqué

précédemment, et de la densité du matériau.

Le tableau I qui suit permet la comparaison

des propriétés précitées dans le cas de plusieurs maté-

riaux couramment utilisés dans la construction.

TABLEAU I

Densité Module Résistance à Déformation d'Young la traction à la rupture N/mm 2 N/mm 2 %

Travail de Travail spé-

rupture cifique de 104 J/m 2 rupture 104 J/ma Acier doux (norme EUA A 151 B 1113) Acier de décolletage à faible résistance ZC = 0,1 %; Si = Tr; Mn 1,0 %; S = 0,42 %;

P = 0,4 %/

Acier normal (norme EUA Al Sl C 1038) a) Normalisé à 860 C b) Trempé à l'huile depuis 860 C, revenu

à 205 C

c) Trempé à l'huile depuis 860 C, revenu

à 640 C

Résistance moyenne pour applications générales de construction LC = 0,4 %; Si 0,20 %; Mn = 0,80 %; S = 0,06 % 7 7,8 7,82 7,82 7,82 7,82 2,06 2,06 2, 06 2,06 2,06 8,7 4,9 , 6 ru Co "O

TABLEAU I

Densité Module d'Young N/mm 2 Résistance à la traction N/mm 2 Déformation à la rupture Travail de rupture 104 J/m 2

Travail spé-

cifique de rupture 104 J/m 2 Acier allié

(E.U A A 1514340)

Acier à outils, appli-

cations à résistance mécanique élevée a) Trempé à l'huile depuis 830 C b) Trempé à l'huile

depuis 830 C; reve-

nu à 200 C c) Trempé à l'huile

depuis 830 C; reve-

nu à 600 C ZC = 0,4 %; Si = 0,2 %; Mn = 0,5 %; Ni = 1,5 %; Cr = 1,2 %; Mo = 0,3 % 7 Aluminium

(ASTM B 209/1100)

Recuit, applications à

faible résistance méca-

nique, mais bonne résis-

tance à la corrosion 7,86 2,08 7,86 7,86 7,86 2,08 2,08 2,08 2,7 8,14 0, 68 1,04 -4 4,71 8,14 13,7 Ln r%) uc Co %O (Suite) TABLEAU I (suite) Densité Module d'Young N/mm 2 Résistance à la traction N/mm 2 Déformation à la rupture Travail de rupture 104 J/m 2

Travail spé-

cifique de rupture 104 J/m 2 Alliage d'aluminium

(ASTM B 209/3003)

1,2 % Mn Recuit, pièces moulées,

application à résis-

tance moyenne Alliage d'aluminium

(ASTM B 247/2018)

Z 4 % Cu L 0,8 % Mg; 2 % Ni/

Recuit de mise en solu-

tion et vieillissement;

alliage de forte résis-

tance pour éléments de construction Alliage d'aluminium

(ASTM B 855 G 100 A)

% Si; 0,5 % Mg Alliage à mouler (pièces de moteur), résistance moyenne 19, 8 2,73 2,75 2,65 0 69 0, 69 0,71 3,5 13, 6 2,03 0,77 TABLEAU I (suite)

Densité Module Résistance à Déformation Travail de Travail spé-

d'Young la traction à la rupture rupture cifique de N/mm 2 N/mm 2 % 104 J/m 2 rupture J/m 2 Bois (moyenne) 0,5 071 * 130 * 2 * 1 ** 2 ** *Propriétés dans le sens du fil

**Propagation des fis-

sures transversalement au fil Matières plastiques 1,8 037 500 1,6 1 0,6 armies de fibres de verre

Fibres unidirection-

nelles et parallèles ( 50 % en volume) Etoffe bidimensionnelle 1,8 0,20 180 1,3 1 0,6 ( 50 % en volume) Co Lf co do La comparaison des urouriétés de l'acier Joux et de l'acier trempé montre que bien que la résistance

mécanique d'un élément donne puisse être accrue par al-

liage et traitement thermique, le gain résultant eut obtenu S au détriment de la ténacité (voir tableau I, exemple 1,

exemple 2, condition b, exemple 3 condition a) Si la ri-

gidité est obtenue par la configuration géométrique à l'aide d'acier doux, la ténacité est conservée mais au détriment

d'une augmentation du poids et de la complexité.

Il faut aussi noter sur le tableau i que l'acier doux comme le bois, considéréspar la mesure de leur travail spécifique à la rupture, constituent tous deux des matériaux

de ténacité élevée.

L'analyse des propriétés de résistance mécaniqueet

de ténacité à la rupture, obtenues sur les matériaux compo-

sites de matière plastique armée de fibre de type connu, montre que l'énergie de frottement due à l'arrachement des fibres d'un liant qui les entoure représente la plus grande partie de l'absorption du travail à la rupture

nécessaire pour la rupture du matériau On pense que l'éner-

gie de rupture absorbée par les fibres ou le liant, indi-

viduellement, est très faible Ces observations expliquent

peut-être pourquoi certains essais antérieurs d'augmenta-

tion des propriétés de travail à rupture des matériaux composites PAF ont été focalisés sur l'amélioration du mécanisme d'arrachement des fibres dans l'absorption de

l'énergie de rupture.

Un exemple de technique connue d'amélioation

d'arrachement des fibres est l'utilisation d'un agent mouil-

lant ou de démoulage sur des fibres de "Polyaramid" avant

imprégnation par un liant de polyester ou de résine époxyde.

Une autre technique est l'utilisation de résines formant des liantsqui présentent un retrait par rapport aux fibres

du matériau composite pendant la polymérisation.

Le brevet britannique N O 1 331 431 décrit l'uti-

lisation d'une fibre enroulée en hélice ou sinueuse tirée dans un trou cylindrique et maintenue par un liant afin que l'importance du travail de frottement fibre-liant soit accrue. Le brevet britannique N O 1 333 711 décrit un procédé de fabrication d'un matériau composite PAF dans lequel une fibre robuste est faiblement liée à une gaine

qui est fortement accrochée au liant.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 265 981 cite les techniques décrites dans les deux brevets précités d'augmentation de l'arrachement des fibres et concerne un perfectionnement comprenant l'enroulement en hélice d'une matière relativement peu résistante autour d'éléments

d'armature formés de fibres plus résistantes avant la liai-

son des fibres enroulées par un liant dans un matériau

composite -

J E Gordon et G Jeronimidis sont partis d'une théorie différente de l'absorption de l'énergie de rupture et ont publié l'article "Composites With High Work Of Fracture', Phil Trans R Soc Lond A 294, 545-550 ( 1980) Ces auteurs ont analysé les mécanismes de rupture du bois naturel et ont supposé que l'augmentation de la résistance mécanique et de la ténacité de ce matériau par

un effet de synergie était due à un gauchissement de fi-

bres creuses de cellulose enroulées en hélice, sous l'ac-

tion d'une contrainte Lorsqu'une contrainte de traction

est appliquée, les parois des cellules de cellulose enrou-

lées en hélice conrencent d'abord par s'affaisser vers l'in-

térieur et coupent ainsi la liaison entre les cellules

dans le liant de lignine Cette opération facilite un al-

longement axial important lorsque les fibrilles hélicol-

dales s'étirent et se cisaillent en provoquant la rupture

finale de la cellule.

D'après ces observations de la rupture du bois naturel, Gordon et Jeronimidis ont suggéré l'utilisation d'un matériau composite PAF comprenant des éléments fibreux manifacturés, enroulés en hélice, par exemple de verre ou de carbone, dans des tubes, les fibres se trouvant dans les parois des tubes et les tubes eux-mêmes étant liés

par un liant polyme les âmes des ubs rt t vides.

Gordon et Jeronimidis on; daoivzrt en outre

que l'angle optimal d'kl gice suivant leque les tubes fi-

breux devaient être enroulés était de 13 Entre ces li-

mites, des angles plus grands peuvent donner des valeurs plus élevées du travail à la rupture mais provoquent une réduction inacceptable de La résistance mécanique et de

la rigidité D'autre part, des angles plus petits rédui-

sent notablement le travail à la rupture pour une augmen-

tation marginale de la résistance mécanique et de la rigi-

dité Des matériaux composites donnant des valeurs de 40.10 J/m 2 pour le travail spécifique à la rupture ont

été obtenus avec de tels tubes à enroulement optimal.

Sans reconnaître apparemment les mécanismes fondamentaux impliqués, tels que proposes par Gordon et Jeronimidis, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 146 155 décrit un procédé de fabrication de panneaux

plats de construction comprenant une couche d'âme d'en-

roulementscreux et ouverts,disposés en hélice et formes de fibres de verre liées par une résine La couche d'âme est collée entre deux feuilles de parement formées d'un

feutre de fibres de verre liées par une résine.

Bien que Gordon et Jeronimidis aient démontré la base théorique de fabrication de matériaux composites de matière plastique armée de fibres de verre ayant des

propriétés remarquablement élevées de résistance méca-

nique, de rigidité et de travail à la rupture, la néces-

sité de l'enroulement en hélice de quantités massivesde fibres saturées de résine dans des éléments creux de tube lors du montage de tels matériaux composites ne présentepas

d'intérêt au point de vue de la rentabilité en l'état ac-

tuel de la technique L'invention concerne un procédé per-

mettant la synthèse de tubes enroulés en hélice, compa-

tible avec les techniques actuelles de production en grande

série.

L'invention concerne aussi un procédé de fabrica-

tion de panneaux composites extrêmement résistants, légers

et tenaces à partir de matériaux de base en feuilles con-

tinues ou non, de type fibreux et de type homogène.

L'invention concerne aussi la réalisation de panneaux légers, très résistants, très tenaces et de faible coût de fabrication. Plus précisément, l'invention repose sur la

découverte du fait que les remarquables propriétés de ré-

sistance mécanique et de ténacité des matériaux composites de matière plastique armée de fibres comprenant des tubes et des enroulements en hélice peuvent être obtenues en grande partie dans des systèmes familiers de construction de panneaux ondulés ayant des fibres d'armature liées au matériau ondulé et formant un angle de 10 à 20 avec l'axe

des cannelures du matériau ondulé.

Cette caractéristique fondamentale de l'inven-

tion peut être appliquée à des matériaux de base très di-

vers donnant une très grande souplesse d'application et de rentabilité Par exemple, un matériau ondulé peut être formé à partir d'un feutre de fibres unidirectionnelles

imprégnées de résine, la direction des fibres étant incli-

née par rapport à l'axe de cannelures, avec l'angle néces-

saire Un tel matériau est alors disposé entre deux feuilles

de fibres liées par une résine, ayant chacune une ou plu-

siers couches.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention seront mieux compris à la lecture de la descrip-

tion qui va suivre d'exemples de réalisation et en se réfé-

rant aux dessins annexés sur lesquels les références iden-

tiques désignent, sur des figures différentes, des éléments analogues, et sur lesquels: la figure 1 est une perspective avec des parties arrachées d'un panneau composite réalisé selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan d'un panneau selon l'invention, représentant l'angle d'orientation des fibres du matériau ondulé; la figure 3 est une vue de bout d'un mode de réalisation complexe de l'invention; la figure 4 est un% perspective d'un trcrnon ondulé du mode de rêalisat Lon cc:mplexe de la figure 3; la ficure 5 est une perspective c'un mode de

réalisation de l'invention ayant plusieurs feuilles in-

termédiaires, correspondant à l'exemple 2 qui suit; et la figure 6 est une perspective d'un mode de

réalisation de l'invention à plusieurs feuilles inter-

médiaires correspondant à l'exemple 3 décrit dans la suite.

Le panneau ondulé selon l'invention, représenté

sur les figures 1 et 2 comporte les trois principaux élé-

ments de la plupart des panneaux ondulés, à savoir deux feuilles externes 10 et 20 de parement séparées par une

feuille intermédiaire cannelée 30.

Lorsque le panneau doit être totalement hydrofuge et doit posséder une résistance mécanique maximale, les trois feuilles doivent être formées de fibres synthétiques,

par exemple de verre, de graphite ou de "Polyaramid" satu-

rées d'une résine thermodurcissable telle qu'une résine époxyde ou polyester ou d'une résine thermoplastique telle

qu'un "Nylon" ou un polypropylène.

La technique de fabrication peut comprendre une polymérisation partielle du système résineux afin que les trois feuilles possèdent une rigidité permettant leur mise en oeuvre avant la polymérisation finale sous forme d'un tout La feuille intermédiaire 30 peut être polymérisée partiellement sous sa forme ondulée par passage dans une

emprise classique de cylindre chauffé d'ondulation.

* Cependant, l'orientation des fibres par rap-

port aux axes des cannelures de la feuille ondulée est

originale selon l'invention.

Cette nouvelle orientation est représentée sur les figures 1 et 2 sur lequelles l'axe des canneluresest

repéré par la référence 31 Le trajet d'une fibre indivi-

duelle représentative, sur la face de la cannelure, est

repéré par la référence 32 L'angle a désigne la diver-

gence de la fibre 32 par rapport à l'axe 31 de la canne-

lure L'angle a doit avoir une valeur nominale de 15 e lors-

que le compromis entre la ténacité, la résistance méca-

nique et la rigidité doit être optimal Dans un ensemble ondulé, l'angle a peut cependant être compris entre 10

et 200.

Les figures 3 et 4 représentent une paire d'éléments ondulés adaptés, du type représenté sur les figures 1 et 2 Comme l'indique la figure 3, l'ensemble

double a une seconde feuille intermédiaire ondulée 50 jux-

taposée à la première feuille 30 et alignée sur celle-

ci La feuille 50 est identique à la feuille 30 à tous égards, mis à part l'angle a d'orientation des fibres qui

à un signe opposé.

Si l'on suit le trajet complet d'une fibre uni-

que 32 dans la matière intermédiaire 30, depuis le sommet de la crête de la cannelure 30 jusqu'au creux, on note qu'une fibre correspondante 52 de la matière 50 poursuit

cette trajectoire depuis l'interface de la feuille inter-

médiaire avec la feuille 20 non ondulée, en face de la crête opposée de la feuille 50, avant retour à la feuille 20 Une seconde fibre non représentée, disposée dans la feuille intermédiaire cannelée 30, alignée sur la-tangente de la fibre 52 dans le creux, continue une spire complète d'une hélice jusqu'à la crête de la cannelure de la feuille 30.

EXEMPLE 1

Dans un premier exemple de mise en oeuvre de

l'invention, on prépare des échantillons d'essai d'un ma-

tériau correspondant de façon générale à la figure 1 On forme deux feuilles parallèles de matière à base de fibres de verre continues préalablement imprégnées d'une résine

époxyde, les fibres ayant une orientation unidirection-

nelle, cette matière étant du type 1003 de 3 M Corporation, les deux feuilles parallèles donnant une double épaisseur et étant utilisées ensemble à la fois comme éléments de revêtement parements> et comme éléments intermédiaires

du matériau ondulé.

Les deux faces de l'élément intermédiaire sont recouvertes d'une mince feutle de papier de démoulage

et partiellement polymérisees avec la configuration on-

dulée par passage dans un appareil classique d'ondulation à cannelures "B", ayant une température de cylindres de 1600 C Ensuite, le papier de démoulage est retiré et les bouts des cannelures sont nettoyés afin que le composé

de démoulage soit retire.

On applique alors une résine époxyde 6010 Ciba-

Geigy avec un durcisseur XU 213 sur les bouts des canne-

lures afin que la feuille intermédiaire puisse être collée entre les éléments de revêtement à deux couches On place alors l'ensemble entre des plateaux plats de compression,

revêtus d'un composé de démoulage, et on les fait polymé-

riser à l'étuve à 121 C.

On prépare des panneaux d'essai analogues, de la manière décrite précédemment, mais avec des orientations angulaires a et B différentes des fibres par rapport aux axes des cannelures L'angle 8 est l'orientation donnée aux fibres dans les deux éléments externes par rapport aux axes de cannelures Les panneaux résultants ont une

densité de 0,6 à 0,7 g/cm 3.

On découpe alors, dans ces panneaux, des échan-

tillons d'essai de 50,8 x 254 mm destinés à des essais de traction sur éprouvettesnon entailléeseffectués dans un appareil "Instron" On fait subir à chaque éprouvette

une force de traction parallèlement à l'axe de la cannelure.

Le tableau II indique les valeurs du travail à la rupture obtenu par calcul à partir de surface de déformation non élastique délimitée sous les courbes traction-déformation, pour plusieurs orientations des fibres dans la feuille

intermédiaire et dans les feuilles externes.

TABLEAU II

Echantillon Angle a Angle e Travail spécifique à la rupture 104 J/m 2

A 1 O O 2,9

2 + 15 -15 8,5

A 3 + 30 -30 7,8

Bl O O 900 6,0

B 2 + 15 -75 10,9

B 3 + 30 -60 1,4

Dans les deux d'échantillons A et B, le plus grand travail à la rupture est obtenu lorsque l'angle a

d'orientation des fibres de verre dans la feuille inter-

médiaire, par rapport à l'axe des cannelures, est de 15 , et diffère de la valeur obtenue pour un angle de O et 30

par rapport à l'axe des cannelures.

EXEMPLE 2

Un second essai exécuté dans le cadre de l'in-

vention met en oeuvre un panneau à plusieurs feuilles in-

termédiaires tel que représenté sur la figure 5, ayant au total 7 mmd'épaisseur, 50 mm de largeur et 100 mm de longueur Chacun des sept éléments intermédiaires 30 a à

g et les éléments externes opposés 10 et 20 sont for-

més par deux couches de feutres unidirectionnels ayant des fibres graphite de 7 à 8 microns de diamètre et 2 mm de longueur, disponibles auprès de PERME, Waltham Abbey, Grande-Bretagne et saturées de résine époxyde "Ciba-Geigy" 6010 en présence de durcisseur XU 213 L'angle a des fibres

de l'élément intermédiaire par rapport aux axes des ondu-

lations est de 150.

Les éléments intermédiaires sont successivement mis en forme sur des lignes décalées de tiges 35 de mise en forme ayant 1,5 mm de diamètre, et ils polymérisent à 1770 C Les revêtements doubles 10 et 20 sont appliqués

comme décrit dans l'exemple 1.

La porosité de ce panneau correspond à un espace

vide de 49 % et sa densité est de 0,61 On soumet des éprou-

vettes du panneau à des essais de flexion sur éprouvettes

entaillées, dans le plan des bords et des faces, perpen-

diculairement aux axes des cannelures.

A titre comparatif, on soumet à peu près aux mêmes essais de flexion sur éprouvettes entaillées un

échantillon d'un matériau composite plein de graphite uni-

directionnel et de résine époxyde, et un échantillon de bois de chêne à fil transversal, avec les échantillons

réalisés selon l'invention Le tableau III donne les résul-

tats obtenus dans un tel essai.

TABLEAU III

Echantillon Masse volumique g/cm 3 Module d'Young (E) GN/m' Rigidité spécf ique (E/densité) GN/m 2 Travail absolu à la rupture 104 J/m:

Travail spé-

cifique à la rupture J/m 2 Selon l'invention, face Selon l'invention, bord Matière composite classique graphite-PAF Bois de chêne 0,61 0,61 1,6 0,68 9,9 13,6 8-13 16,2 22,3 87,5 12-19 0,1 0,7 3,3 3,3 0,06 1,0 r%> ro L. 4 "O o %D % O Les résultats du tableau III montrent que le matériau composite selon l'invention est comparable au

bois de chêne par sa masse volumique et sa rigidité (mo-

dule d'Young)mais est plus de trois fois tenace Le chêne est en général considéré comme un bois relativement te- nace Par rapport au matériau composite stratifié plein,

le matériau selon l'invention donne une rigidité notable-

ment plus faible, mais la masse volumique est réduite d'un

facteur supérieur à 2 et la ténacité est multipliée par 50.

EXEMPLE 3

Dans un troisième exemple de l'invention, on prépare un panneau à l'aide de papier kraft armé de fibres de verre (ruban "Nashua" N O 55 d'emploi universel) Les fibres de verre sont collées entre deux feuilles de papier kraft et sont disposées nominalement dans la direction transversale à l'avance dans la machine bien que, en fait,

l'angle des fibres soit en moyenne d'environ 150 par rap-

port à cette direction transversale Le verre est réparti à raison de 150 fibres par cage et environ 0,8 fil par centimètre Chaque feuille composite a une masse surfacique

de 171 à 176 g/m 2.

On utilise un tel ruban pour la formation d'un

panneau ondulé à cannelures classiques "B" à un seul pare-

ment, à la fois sur la feuille de parement et la feuille intermédiaire Cette dernière est normalement ondulée avec des axes de cannelures dans la direction transversale à la machine si bien que les fils de verre d'armature ont

l'angle important de 150 par rapport aux axes des canne-

lures. On assemble cinq couchesdu panneau considéré à une seule feuille de parement comme représenté sur la

figure 6, à l'aide d'une colle à base d'acétate de poly-

vinyle, afin de réaliser un panneau de 19 mm d'épaisseur.

On prépare, à titre d'échantillons témoins, des panneaux identiques de papier kraft non renforcés ayant

une masse surfacique de 161 g/m 2.

On fait alors subir auxpanneaux témoins et selon l'invention des essais de choc de prrojectiles, coprenant

le choc d'une bille d'acier de 538 ? tombant d'une hau-

teur de 3,05 m sur la face externe d'un panneau échnantil-

ion fermement serré aux quatzre bords, à sa périphérie.

L'échantillon témoin non armé présente une péné-

tration au choc de 7,5 mm alors que le panneau selon l'in-

vention ne présente qu'une pénétration de 4,3 mm.

EXEMPLE 4

On prépare des panneaux selon l'invention comme décrit dans l'exemple 3 avec cinq couches du panneau à

une seule feuille extérieure En outre, on place les pan-

neaux selon l'invention contre une étoffe de verre de

812 g/m 2, saturée d'une résine polyester.

A titre de comparaison supplémentaire, des échantillons de contreplaqué CD de 19 mm et de mousse de

polystyrène expansée de 19 mm reçoivent des couches exter-

nes analogues contenant des fibres de verre De plus, on prépare un tronçon d'âme-comprenant plusieurs couches de

feuilles de 19 mm de largeur de panneaux ondulés non ren-

forces et à deux feuilles de parement, ayant des canne-

lures en B, ces couches étant collées face à face si bien

que les axes des cannelures sont perpendiculaires aux fa-

ces du panneau composite Les faces du panneau reçoivent le même revêtement de résine armée de fibres de verre que

les panneaux témoins et selon l'invention.

Les quatre échantillons d'essai décrits précé-

demment sont alors soumis au choc balistique de l'exemple

3 et donnent les résultats du tableau IV.

TABLEAU IV

Echantillon Contreplaqué Invention Ame cannelée en bout Mousse de polystyrène

EXEMPLE 5

Pénétration, mm 1,0 1,5 ,7 6,4 Dans un essai final de l'invention, on prépare

un panneau à cannelures en B et à deux faces avec une ar-

mature comme décrit dans l'exemple 3 On prépare, à par-

tir de tels panneaux armés, des échantillons de boites ondulées formant des récipients, destinés à des essais de détermination de la charge de compression encaissée de haut en bas par une boîte Il s'agit d'un essai clas- sique d'empilement de boîtes ou caisses qui détermine la

charge de compression pour laquelle une boîte s'affaisse.

Un récipient non renforcé, ayant une masse sur-

facique comparable, s'affaisse sous l'action d'une force de compression de 1560 N alors que le récipient renforcé

selon l'invention s'affaisse sous une force de compres-

sion de 2110 N.

Des essais classiques d'éclatement Mullen exé-

cutés sur les parois du récipient précédent indiquent une résistance de 1, 05 106 Pa pour l'échantillon renforcé et

de 1,22 10 Pa pour l'échantillon renforcé selon l'in-

vention. Etant donné le prix absolu des fibres et de la résine, les panneaux ayant une feuille intermédiaire

ondulée, réalisés selon les enseignements précédents en-

tièrement en ces matériaux, sont coûteux, mais pas autant que les matériaux composites à tubes enroulés en hélice La rentabilité de nombreuses applications de protection dans des transports et dans des véhicules justifie facilement de tels coûts étant donné les avantages de ténacité, de

rigidité et de réduction de poids obtenus selon l'inven-

tion par mise en oeuvre du matériau composite PAF.

A l'autre extrémité de la gamme d'applications,

envisagée sur le plan de la rentabilité et de la résis-

tance mécanique, des papiers ondulés armés, réalisés selon

l'invention, peuvent être beaucoup renforcés par des quan-

tités presque négligeables de fibres d'armature très dis-

persées et convenablement orientées.

L'invention concerne aussi, sous forme d'un produit de gamme moyenne, un matériau composite ondulé à base de papier dans lequel les éléments principaux formés de feuilles armées sont utilisés en superposition avec un 2.*i 899 film ther m oplastioeîe e lène ou de poly Vtl tiz' ' cires de pétrole de sot t; e rev,-teten uzlisées sous forme de mélanc Tes et &}'-l pa c e roc'd tels que le revêtement au rideau e 'er ex' E' paticui er, des fils d'armature tsrnies de f S continus uvent tre disposés transversalement ({ 15 ' environ per rapport la direction transversale CD; à une feuille continue de

papier juste avant une filière d Sextrusion d'un film ther-

moplastique qui revêt les fils et la feuille tout en im-

perméabilisant simultanément le papier et en fixant les fils d'armature Une telle feuille armée et résistante

à l'eau est ensuite mise sous forme d'un panneau ondulé.

comme décrit précédemment.

Une autre technique d'intégration de fibres d'armature dans une feuille de papier est le dép Ct des fibres, avec l'orientation convenable, sur une feuille humide et incomplètement formée qui se trouve encore sur la table de fabrication d'une machine à papier ou près

de la première presse humide afin que les fibres d'arma-

ture soient fixées par immersion dans ja structure cellu-

losique à liaisons hydrogène de la feuille.

Un procédé analogue est mis en oeuvre par dis-

position des fibres d'armature entre deux feuilles for-

mées séparément mais encore humide qui sont ensuite col-

lées l'une à l'autre par calandrage.

Un avantage supplémentaire des structures réa-

lisées selon l'invention est leur aptitude à retenir des organes de fixation et de maintien tels que des agrafes,

des clous ou des rivets Ces avantages sont dus aux ca-

vités internes importantes qui permettent la déformation en volume nécessitée par la fixation et la présence de la couche intermédiaire des fibres qui crée des forces

de frottement élevées lorsqu'elle est déplacée.

Il faut noter que l'angle approximatif de 15

indiqué pour la disposition des fibres d'armature par rap-

port aux axes des cannelures recouvre une plage angulaire de 10 à 200 Suivant les détails précis de l'application particulière, un compromis différent entre la rigidité et la ténacité, qui peut être obtenu par variation des

angles d'orientation des feuilles intermédiaire et de pa-

rement entre des limites extrêmes de 5 à 300, peut être

souhaitable.

Les principales caractéristiques de la struc-

ture décrite dans le présent mémoire peuvent être appli-

quées à d'autres matériaux connus, par exemple à des fibres de bore ou de carbure de silicium incorporesà un liant

métallique malléable tel que de cuivre, de laiton, d'alu-

minium ou de fer.

D'autres matériaux composites auxquels s'ap-

pliquent les caractéristiques des structures selon l'in-

vention comprennent des fibres d'acier, de polypropylène

ou de verre, maintenus dans un liant cimentifère.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre

non limitatif sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1 Ensemble composite formant un matériau de cons-

truction qui comprend deux feuilles planes ( 1 Q, 20 W de parement séparées par au moins une feuille ondulée { 3)) ayant une surface ondulée, les feuilles de parement étant

fixées à la feuille ondulée le long de lignes ( 31) for-

mant les sommets des ondulations, ledit ensemble étant caractérisé en ce qu'il comprend des fibres d'armature fixées à la feuille ondulée ( 30) afin qu'elles suivent

la surface ondulée de la feuille ondulée avec une orien-

tation telle qu'elles font un angle d'environ 15 avec

les lignes ( 31) des-sommets des ondulations.

2 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille ondulée ( 30) est un feutre de fibres

de verre orientées, imprégnées de résine et ayant des on-

dulations formées avec une orientation de 150 par rapport

aux fibres.

3 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille ondulée ( 30) comporte un substrat

ondulé de papier kraft ayant des fibres orientées d'arma-

ture qui lui sont fixées.

4 Ensemble selon la revendication 3, caractérisé

en ce que la feuille ondulée armée de fibres ( 30) est re-

vêtue d'une substance imperméable à l'humidité.

5 Ensemble selon la revendication 3, caractérisé

en ce que la feuille ondulée armée de fibres ( 30) est re-

vêtue d'un film thermoplastique extrudé.

6 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde feuille ondulée ( 50) ayant aussi des fibres d'armature ( 52) qui lui sont fixées afin qu'elles suivent sa surface ondulée avec une orientation

d'environ 15 par rapport aux lignes des sommets des ondu-

lations, la seconde feuille ondulée ( 50) étant fixée à une feuille de parement ( 20) du côté opposé à celui auquel est fixée la première feuille ondulée( 30), les lignes des sommets des ondulations des deux feuilles ondulées étant fixées en étant alignées, sur les faces opposées de la

feuille de parement ( 20), l'orientation de 150 des fi-

bres de la première feuille ondulée ( 30) étant opposée

à l'orientation 15 des fibres de la seconde feuille on-

dulée ( 50).

7 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des fibres d'armature supplémentaires,

fixées à la feuille de parement et dans le plan de celle-

ci avec une orientation d'environ 15 par rapport aux lignes des sommets des ondulations, avec un signe inverse de celui

de l'angle des fibres des feuilles ondulées.

8 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend le collage sous forme parallèle d'au moins deux feuilles ondulées ( 30, 50) comprenant des fibres

et séparées par une feuille de parement ( 20).

9 Ensemble selon la revendication 8, caractérisé

en ce que les fibres fixées aux feuilles ondulées adja-

centes ( 30, 50) ont des inclinaisons de signes opposés

par rapport aux lignes des sommets des ondulations.

Ensemble selon la revendication 8, caractérisé

en ce que les fibres fixées aux feuilles ondulées adja-

centes ( 30, 50) forment le même angle avec les lignes des

sommets correspondants des ondulations.

11 Ensemble selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte des fibres supplémentaires d'armature

fixées à la feuille de parement ( 20) dans le plan de celle-

ci, avec une orientation d'environ 150 par rapport aux lignes des sommets des ondulations, cet angle ayant un signe opposé à celui de l'angle d'orientation des fibres

de la feuille ondulée ( 30).

12 Ensemble composite formant un matériau de cons-

truction qui comporte deux feuilles planes de parement ( 10, 20) séparées par au moins une feuille ondulée ( 30), les feuilles de parement ( 10, 20) étant fixées à la feuille

intermédiaire ondulée le long des plans externes des som-

mets des ondulations, ledit ensemble étant caractérisé en ce qu'il comporte des fibres orientées d'armature fixées

à la feuille intermédiaire afin qu'elles suivent la sur-

Z 523899

face ondulée de cette feuille -ide, > ivuc âne or 7 eitta-

tion de 150 environ par rapport aux axes Ses ondulations respectives. 13 Ensemble selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend deux feuilles ondulées 130, 530) aux- quelles sont fixées des fibres, chaque feuille de la paire

ayant des fibres qui présentent un certain angle d'orienta-

tion, les angles étant de signes opposés, par rapport aux axes des ondulations, les deux feuilles étant fixées l'une

à l'autre le long des sommets externes des ondulations.

14 Procédé de fabrication d'un matériau composite de construction, caractérisé en ce qu'il comprend la mise sous forme ondulée d'une feuille ( 30) contenant des fibres orientées afin qu'elle forme des ondulations parallèles

et allongées, faisant un angle d'environ 150 avec la direc-

tion des fibres orientées, et le collage d'une feuille plane de revêtement 101) sur les sommets des ondulations,

sur une face au moins de la feuille ondulée.

Récipient de carton ondulé, comprenant un élé-

ment intermédiaire ondulé ( 30) collé à un élément plan ( 10) formant une feuille de parement, le long des sommets

des ondulations, caractérisé en ce que des fibres d'arma-

ture sont fixées afin qu'elles soient solidaires de l'é 16-

ment intermédiaire ondulé ( 30) et suivent la surface ondu-

lée de celui-ci avec une orientation longitudinale des fibres d'environ 150 par rapport aux axes des ondulations

de la feuille intermédiaire ondulée.

16 Récipient selon la revendication 15, caractérisé en ce que les fibres d'armature sont fixées à la feuille de parement associée à l'élément intermédiaire, afin qu'elles soient solidaires de cette feuille de parement et dans

le plan de celle-ci.

17 Récipient selon la revendication 16, caractérisé

en ce que les fibres de la feuille de parement sont orien-

tées de manière qu'elles forment un angle d'environ 15 avec les axes des ondulations, cet angle ayant un signe opposé à celui de l'angle d'orientation des fibres fixées

à la feuille intermédiaire.