FR2653141A1 - COMPOSITE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING METHOD. - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un matériauThe present invention relates to a material
composite et son procédé de réalisation. composite and its production method.
Le matériau composite est une substance hétérogène comportant généralement des fibres, des fils, libres ou assemblés en couches, noyés dans une résine. Ces matériaux composites se présentent généralement sous forme de grandes plaques épaisses assez rigides. Elles sont de plus en plus utilisées dans 1' industrie notamment dans 1 industrie de construction de matériels de biens d' équipement, de transport, etc... pour réaliser des carosseries, des planchers, etc. Ces plaques sont transformées, selon les techniques traditionnelles par moulage par contact ou sous vide, par injection et selon une technique plus The composite material is a heterogeneous substance generally comprising fibers, threads, free or assembled in layers, embedded in a resin. These composite materials are generally in the form of large, fairly rigid thick plates. They are used more and more in the industry, in particular in the industry of construction of equipment, capital goods, transport, etc. for making bodies, floors, etc. These plates are transformed, according to traditional techniques by contact or vacuum molding, by injection and according to a more technical
récente, par estampage.recent, by stamping.
Généralement un procédé de réalisation consiste à assembler en couches ou strates des étoffes textiles de fibres ou de fils de renfort à hautes caractéristiques mécaniques telles que: verre, silice, carbure de silicium, carbone, céramique, aramides, polyéthylène haut module, etc, et à les noyer dans une matrice de résine. Plus précisément, on coule dans un moule de la dimension d'une plaque un fond de résine et d'agent de démoulage; par dessus on pose une première couche d'étoffe, en fils de fibres de renfort par exemple, que 1' on recouvre de résine; par dessus on pose une seconde couche d'étoffe en fils de renfort à haute résistance, que l'on recouvre également de résine; ainsi de suite on "empile" plusieurs couches, par exemple cinq ou six que l'on recouvre de résine, et on achève l' empilage par une dernière couche de résine et un agent de démoulage. On fait ensuite subir à cet ensemble une action de compression destinée & éliminer le maximum d'air et à faire pénétrer la résine dans les couches d' toffes, puis un traitement thermique qui réticule ou polymérise la résine afin d'obtenir un composite rigide et un ensemble le plus homogène possible. Ces matériaux composites peuvent comporter Jusqu'à plus de quarante couches chacune d'une épaisseur de l'ordre de 0, 1 à 0,2 millimètre; les plus courants comptent de une & quinze couches et sont d'épaisseur totale moyenne entre 3 et 5 millimètre après compression et prêts à l'emploi. Leur poids est de l'ordre de 200 grammes/m2 pour une couche de 0, 1 mm d'épaisseur en verre. Le matériau obtenu est un produit composite & haute résistance notamment aux chocs, à la Generally, a production process consists in assembling in layers or strata textile fabrics of fibers or reinforcing threads with high mechanical characteristics such as: glass, silica, silicon carbide, carbon, ceramic, aramids, high modulus polyethylene, etc., and to drown them in a resin matrix. More precisely, a base of resin and release agent is poured into a mold the size of a plate; above, a first layer of fabric is laid, made of reinforcing fiber threads for example, which is covered with resin; above, a second layer of fabric is placed in high-resistance reinforcing threads, which are also covered with resin; so on, several layers are stacked, for example five or six, which are covered with resin, and the stack is completed with a last layer of resin and a release agent. This assembly is then subjected to a compression action intended to eliminate the maximum of air and to make the resin penetrate into the layers of fabrics, then a heat treatment which crosslinks or polymerizes the resin in order to obtain a rigid composite and as homogeneous as possible. These composite materials can comprise up to more than forty layers each with a thickness of the order of 0.1 to 0.2 millimeters; the most common have one & fifteen layers and are of average total thickness between 3 and 5 millimeters after compression and ready to use. Their weight is of the order of 200 grams / m2 for a layer 0.1 mm thick in glass. The material obtained is a composite product & high resistance in particular to shocks,
traction, à la compression.traction, compression.
Cependant un tel procédé présente de nombreux inconvénients: 1- il est coûteux: le matériel nécessaire à sa mécanisation est très coûteux, et généralement les However, such a process has many drawbacks: 1- it is expensive: the material necessary for its mechanization is very expensive, and generally the
opérations sont manuelles, ce qui suppose une main- operations are manual, which requires a manual
d'oeuvre importante; d'autre part il est long: les étapes de réalisation sont nombreuses; 2- le matériau obtenu présente une faible important work; on the other hand it is long: the stages of realization are numerous; 2- the material obtained has a low
résistance au cisaillement: on observe du délaminage. shear strength: delamination is observed.
Le phénomène s'explique par le fait que les couches de tissus renferment des bulles d'air qui ne sont pas chassées par la résine. Ces bulles forment autant de The phenomenon is explained by the fact that the layers of tissue contain air bubbles which are not expelled by the resin. These bubbles form as many
petits matelas d'air qui réduisent le contact couche- small air mattresses that reduce diaper contact
résine et l'adhérence entre les couches. resin and adhesion between layers.
3- l'homogénéité recherchée par le traitement thermique, (imprégnation, polymérisation) est difficile à obtenir en une durée raisonnable, du fait de l'épaisseur du matériau ce qui accentue le 3- the homogeneity sought by the heat treatment (impregnation, polymerization) is difficult to obtain in a reasonable time, due to the thickness of the material which accentuates the
dél ami nage.friend swims.
D'autre part et d'une manière très générale un tissu est une structure textile formée d'un assemblage de fils dits de chaine assemblés dans des fils dits de trame. Cette structure s'étend dans un plan, dont l'épaisseur est limitée à celle du ou des fils utilisés, dimension négligeable relativement à la surface du tissu. Une des caractéristiques habituelles des tissus est leur indéformabilité dans le plan, qui peut être une qualité ou un défaut selon l'utilisation qui en est faite. On sait bien que la déformation d'un tissu pour lui donner une forme, produit des plis, le tissu n'étant pas susceptible de se déformer élastiquement de par sa structure. La confection est alors l'art d'assembler des pièces de tissu de manière & détenir des formes, que ce soit dans l'industrie vestimentaire ou toute autre industrie. C'est pourquoi, lorsque l'on réalise des matériaux composites, l'assemblage des couches de tissus consiste également à disposer des bandes de tissus de manière à favoriser la réalisation de formes, sans produire de plis, La présente invention a pour objectif de réaliser un matériau composite selon un procédé qui résoud l'ensemble des difficultés exposées: mécanisation, rapidité de réalisation, grande déformabilité, résistance au délaminage, homogénéité, coûts. L'invention a pour objet un matériau composite d'épaisseur substantielle caractérisé en ce qu'il est constitué d'un seul ensemble de fils de renfort associés à une résine thermosplastique, tissés en trois dimensions. Elle a encore pour objet l'utilisation d'un métier à tisser muni de plusieurs chaines de fils de renfort afin de réaliser un revêtement composite On the other hand and in a very general way, a fabric is a textile structure formed by an assembly of so-called warp threads assembled in so-called weft threads. This structure extends in a plane, the thickness of which is limited to that of the wire or wires used, a negligible dimension relative to the surface of the fabric. One of the usual characteristics of fabrics is their non-deformability in the plane, which can be a quality or a defect depending on the use made of them. It is well known that the deformation of a fabric to give it a shape produces folds, the fabric not being capable of deforming elastically due to its structure. Confection is then the art of assembling pieces of fabric so as to hold shapes, whether in the clothing industry or any other industry. This is why, when making composite materials, assembling the layers of fabrics also consists in arranging strips of fabrics so as to promote the production of shapes, without producing folds. The present invention aims to producing a composite material according to a process which resolves all the difficulties presented: mechanization, speed of production, high deformability, resistance to delamination, homogeneity, costs. The subject of the invention is a composite material of substantial thickness, characterized in that it consists of a single set of reinforcing threads associated with a thermosplastic resin, woven in three dimensions. It also relates to the use of a weaving loom provided with several chains of reinforcing threads in order to produce a composite covering.
d'épaisseur substantielle.of substantial thickness.
Afin de mieux comprendre l'invention on a représenté au dessin annexé un exemple non limitatif de In order to better understand the invention, a non-limiting example of
matériau selon l'invention.material according to the invention.
Comme on le voit sur le dessin, le tissu 1 comporte plusieurs séries de 2 fils de chaine 2 s'étendant parallèlement les uns des autres. Dans l'exemple le tissu comporte 5 séries de fils de chaîne 2a & 2f. Chaque chaine est horizontale, les séries se superposent verticalement, formant une feuille épaisse, qui s'étend dans les trois dimensions. Les fils de trame 3 sont passés alternativement dans ces fils de chaîne et. selon le choix, alternent entre le fil du premier niveau 2a et le fil du second 2b, ou du troisième 2c etc. Le tissage peut être modulé selon l'effet que As can be seen in the drawing, the fabric 1 comprises several series of 2 warp threads 2 extending parallel to each other. In the example, the fabric has 5 series of warp threads 2a & 2f. Each chain is horizontal, the series overlap vertically, forming a thick sheet, which extends in three dimensions. The weft threads 3 are passed alternately through these warp threads and. according to the choice, alternate between the wire of the first level 2a and the wire of the second 2b, or of the third 2c etc. The weaving can be modulated according to the effect that
l'on veut donner au tissu.we want to give to the fabric.
Un tel procédé donne un tissu épais, homogène Such a process gives a thick, homogeneous fabric
dans son épaisseur puisque réalisé d'un seul tenant. in its thickness since made in one piece.
D'autre part, le fait de tisser en trois dimensions confère à ce tissu une grande déformabilité, par On the other hand, the fact of weaving in three dimensions gives this fabric great deformability, by
déformation interne.internal deformation.
Dans une première variante de réalisation les In a first variant of embodiment,
fils sont préalablement associés à la résine, c'est-à- wires are previously associated with the resin, that is
dire qu'ils comprennent à la fois des fibres de renfort et leur matrice ou résine. Cet "enresinement" est obtenu soit par mélange intima dans la fil, de fibres de renfort et de résine présentée sous forme de fibres, soit par enrobage de fils de renfort par une gaine de résine. Dans une deuxième variante le tissage est réalisé avec des fils ne comportant que des fibres de renfort, exempts de résine. L'association fils-résine, ou "enresinement" est ici un enrobage du tissu; il est réalisé après passage dans le métier à tisser par application au pinceau, pulvérisation, injection, ou say that they include both reinforcing fibers and their matrix or resin. This "entrainment" is obtained either by intimate mixture in the wire, of reinforcing fibers and of resin presented in the form of fibers, or by coating of reinforcing wires with a sheath of resin. In a second variant, weaving is carried out with threads comprising only reinforcing fibers, free of resin. The son-resin association, or "enresinement" is here a coating of the fabric; it is produced after passing through the loom by application with a brush, spraying, injection, or
toute autre technique connue.any other known technique.
La première variante est avantageuse en ce qu'elle donne en une seule opération un matériau souple qui peut être immédiatement enroulé, ou découpé en panneaux, et constitue un produit fini prêt à être utilisé. Le revêtement obtenu doit ensuite subir un traitement thermique suivi ou non d'un compactage destiné à faire fondre la résine, & donner à ce revêtement la forme désirée et à lui donner ensuite une The first variant is advantageous in that it gives, in a single operation, a flexible material which can be immediately wound up, or cut into panels, and constitutes a finished product ready to be used. The coating obtained must then undergo a heat treatment followed or not by compacting intended to melt the resin, & give this coating the desired shape and then give it a
grande rigidité.great rigidity.
A titre d'exemple de réalisation on a réalisé un tissu en trois dimensions avec des fils composites à % de verre, 40% PEEK, et le traitement à chaud et un As an example of an embodiment, a three-dimensional fabric was produced with composite yarns comprising% glass, 40% PEEK, and the heat treatment and a
estampage donne des plaques de blindage. stamping gives armor plates.
L'invention apporte entre autre les avantages considérables suivants: l'ensemble tridimensionnel est d'une parfaite homogénéité; - le tissage en profondeur supprime les couches successives il ne peut plus y avoir de délaminage; - après traitement thermique la présence de bulles d'air entre les fils tissés n'a pas d'influence défavorabe sur les caractéristiques de résistance: cette opération peut alors être considérablement The invention provides, among other things, the following considerable advantages: the three-dimensional assembly is perfectly homogeneous; - deep weaving removes successive layers, there can no longer be delamination; - after heat treatment the presence of air bubbles between the woven threads has no adverse influence on the resistance characteristics: this operation can then be considerably
simplifiée.simplified.
- le matériau peut être plus ou moins comprimé ce qui permet de réaliser très facilement des empreintes qui restent souples; - le matériau est d'une très grande légèreté; par rapport aux matériaux traditionnels & épaisseur comparable. On peut estimer un gain de poids de l'ordre de 20% - The material can be more or less compressed which makes it very easy to make imprints which remain flexible; - the material is very light; compared to traditional materials & comparable thickness. We can estimate a weight gain of around 20%
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