FR2877008A1 - Materiau composite compose d'une matrice organique au moins chargee par des particules non oxydes, quasi-spheriques et de granulometrie comprise entre 0,01mu et 4mu - Google Patents

Abstract

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

Description

Matériau composite composé d'une matrice organique au moins chargée par

des particules non oxydes, quasi-sphériques et de granulométrie comprise entre 0,01 m et 4 m.

Domaine technique de l'invention L'invention concerne un matériau composite comportant une matrice organique choisie parmi la famille des polymères thermoplastiques et la famille des polymères thermodurcissables et dans laquelle sont uniformément réparties des particules minérales.

L'invention concerne également une pièce mécanique et l'utilisation d'une telle pièce mécanique.

État de la technique Les exigences industrielles pour les pièces mécaniques utilisées dans des domaines tels que le transport, le bâtiment ou le domaine automobile sont, de plus en plus, accrues. Le choix du matériau destiné à former de telles pièces mécaniques est donc prépondérant. Or, ce choix dépend principalement de critères techniques tels que les performances mécaniques, chimiques et thermiques, de critères commerciaux tels que le prix, les sources d'approvisionnement et la disponibilité du matériau et de critères technologiques tels que les caractéristiques de mise en oeuvre, en fonction des moyens industriels disponibles.

Les alliages d'aluminium sont généralement utilisés dans le domaine automobile et notamment pour réaliser des pièces mécaniques "moteur" et "environnement moteur". En effet, les alliages d'aluminium, par rapport à d'autres alliages métalliques, ont un bon rapport "coût/gain de poids". Par ailleurs, la capacité de transformation de tels alliages est relativement élevée pour des coûts moindres et ils sont très faciles à mettre en oeuvre, notamment dans une production en série. La mise en oeuvre de tels alliages est, par exemple, réalisée par formage, par fonderie sous pression, par gravité, par usinage mécanique et/ou par traitements tels que des traitements thermiques ou de surface.

D'un point de vue mécanique et chimique, les alliages d'aluminium possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques à basse température (de 250 à +250 C), telles que l'élasticité, la ténacité, la ductilité et la résilience. Ils ont également une bonne capacité d'absorption des vibrations et sont résistants à une grande majorité d'agents chimiques et à la corrosion. Ils ont, en outre, un indice de prix très bas. Mais, dans la majorité des cas, les alliages d'aluminium, après transformation ou mise en oeuvre, doivent être usinés mécaniquement. Or, cette étape d'usinage représente généralement un tiers du prix de revient du produit fini.

Pour remédier à cet inconvénient, certains ont proposé de remplacer les alliages d'aluminium par des matériaux composites comportant une matrice organique renforcée. A titre d'exemple, dans le domaine aéronautique, certaines pièces mécaniques peuvent être constituées par un matériau composite comportant une matrice organique dans laquelle sont dispersées des fibres de carbone. Cependant, jusqu'à présent, dans certaines applications telles que le domaine automobile, les matériaux composites ne se sont pas montrés capables de concurrencer les alliages métalliques tels que les alliages d'aluminium.

Objet de l'invention L'invention a pour but un matériau composite capable de remplacer les alliages métalliques et plus particulièrement les alliages d'aluminium, pour réaliser des pièces mécaniques nécessitant de bonnes performances mécaniques, chimiques et thermiques, tout en étant faciles à mettre en oeuvre et peu chères à fabriquer.

Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les particules minérales o comportent au moins des particules non oxydes, quasisphériques et dont la gamme granulométrique est comprise entre 0,011.tm et 41,tm.

Selon un développement de l'invention, les particules non oxydes sont choisies parmi les carbures, les nitrures, les carbonitrures d'au moins un métal réfractaire et leur mélange. Le métal réfractaire est, de préférence, choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale, le niobium, le tungstène, le molybdène, le bore et le silicium.

Selon un autre développement de l'invention, la gamme granulométrique des particules non oxydes est comprise entre 0,1 m et 1 m.

Selon un mode de réalisation préférentiel, la proportion en poids des particules non oxydes par rapport au poids total du matériau composite est inférieure ou égale à 60%.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la matrice organique est constituée par un polymère thermodurcissable choisi parmi les résines phénolformaldéhydes ou bien par un polymère thermoplastique choisi parmi les résines polyéther éther cétones, les polyaryléthercétones, les polyarylamides et les polyamides.

L'invention a également pour but une pièce mécanique présentant des caractéristiques thermomécaniques, chimiques et/ou physiques élevées pour un coût de fabrication relativement faible et une capacité de production élevée.

Ce but est atteint par le fait que la pièce mécanique comporte au moins une partie constituée par un matériau composite selon l'invention.

Plus particulièrement, la pièce mécanique peut comporter au moins un insert métallique, en polymère ou en matériau composite et sur lequel est surmoulé le matériau composite. Dans un autre mode de réalisation, elle peut comporter une étiquette surmoulée ou collée sur la surface extérieure de la partie constituée par le matériau composite.

L'invention a également pour but l'utilisation d'une telle pièce mécanique dans un turbocompresseur ou dans une pompe de direction assistée, notamment dans le domaine automobile.

Description sommaire des dessins

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels les figures 1 à 30 représentent divers modes de réalisation de pièces mécaniques selon l'invention.

Description de modes particuliers de réalisation

Un matériau composite selon l'invention comporte une matrice organique dans laquelle sont uniformément réparties des particules minérales comprenant au moins des particules non oxydes. De préférence, la proportion en poids des particules non oxydes est inférieure ou égale à 60% par rapport au poids total du matériau composite.

La matrice organique est choisie parmi la famille des polymères io thermoplastiques et la famille des polymères thermodurcissables et est, de préférence, constituée par un polymère polaire. Le polymère de la matrice organique est, plus particulièrement, choisi de manière à résister à des températures allant de -50 C jusqu'à au moins +180 C. Ainsi, la matrice organique est, par exemple, constituée par un polymère thermodurcissable choisi parmi les résines phénol-formaldéhydes ou bien par un polymère thermoplastique choisi parmi les résines polyéther éther cétones, les polyaryléthercétones, les polyarylamides et les polyamides. La matrice organique peut également comporter des charges organiques ou inorganiques telles que des fibres de carbone.

Les particules non oxydes sont quasi-sphériques et ont une gamme granulométrique comprise entre 0,011.im et 4 m et, de préférence comprise entre 0,1 m et 1 mi. Plus particulièrement, les particules non oxydes sont des céramiques constituées de carbures, de nitrures et/ou de carbonitrures d'un métal réfractaire ou d'un mélange de métaux réfractaires choisis, par exemple, parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale, le niobium, le tungstène, le molybdène, le bore et le silicium.

Les particules céramiques sont, de préférence, obtenues par un procédé de synthèse à combustion autopropagée, plus connu sous le sigle SHS ("Self heating synthesis") tel que décrit dans la demande de brevet WO-A-9947454. Un tel procédé de synthèse permet, en effet, d'obtenir des particules de carbures, de nitrures et/ou de carbonitrures d'au moins un métal réfractaire et plus particulièrement de titane, de zirconium et/ou de hafnium, lesdites particules étant très régulières, quasi-sphériques et très dures. La dureté des particules ainsi synthétisées est, en effet, comprise entre 1600Hv et 3200Hv. Par ailleurs, les particules non oxydes synthétisées sont très fines, d'une très o grande pureté et elles ont, de préférence, une densité comprise entre 4 et 15.

Les particules non oxydes présentent, de plus, l'avantage d'être compatibles et d'avoir une bonne affinité avec les polymères, et plus particulièrement avec les polymères polaires. De plus, grâce à leur finesse, à leur très grand nombre, à leur répartition uniforme dans la matrice organique et à leur grande affinité avec la matrice organique, les particules non oxydes apportent, à la matrice organique, une surface spécifique importante. Ceci facilite, alors, les interactions physicochimiques et mécaniques avec le polymère. De plus, les distances entre les particules sont notablement réduites, empêchant ainsi la dégradation mécanique et chimique du polymère.

Les particules minérales peuvent également comporter, en plus des particules non oxydes, des particules oxydes destinées à éviter l'agglomération des particules non oxydes dans la matrice organique. Les particules oxydes sont, par exemple, constituées par un oxyde d'aluminium, de silicium, de titane, de zirconium ou un mélange desdits oxydes. La granulométrie moyenne des particules oxydes est, de préférence, supérieure à celle des particules non oxydes et est, par exemple, de l'ordre de 10 m. Plus particulièrement, la proportion en poids des particules oxydes, par rapport au poids total du matériau composite est inférieure ou égale à 60% et la densité des particules oxydes est inférieure ou égale à 5.

Par ailleurs, le matériau composite peut comporter un agent de couplage destiné à faciliter l'interaction entre les particules oxydes et les particules non oxydes. L'agent de couplage est, par exemple, choisi parmi les composés polycarboxyliques, les composés polysilanes et leurs combinaisons. Sa densité est, de préférence, inférieure ou égale à 5. La proportion massique d'agent de couplage est, par exemple comprise entre 0, 1 et 15% par rapport à la proportion o massique de particules minérales, c'est-à-dire la proportion massique de particules non oxydes et de particules oxydes.

Selon un mode particulier de réalisation, les particules oxydes sont mélangées mécaniquement aux particules non oxydes, avant que l'ensemble des particules minérales ne soit dispersé dans la matrice organique. Ceci permet, notamment, de fixer électrostatiquement chaque particule non oxyde à une particule oxyde et donc d'éviter une agglomération de particules non oxydes au sein de la matrice organique. Ce mode de mélange favorise, ainsi, une répartition uniforme des particules minérales dans la matrice organique.

Lorsqu'un agent de couplage tel que le polysilane est utilisé pour faciliter les interactions entre les particules oxydes et les particules non oxydes, il est préalablement mélangé mécaniquement d'une part avec les particules non oxydes et d'autre part avec les particules oxydes, avant que le mélange mécanique des deux types de particules ne soit réalisé. Le mélange mécanique des deux types de particules, particules oxydes avec agent de couplage et particules non oxydes avec agent de couplage, est, par exemple, réalisé par agitation pendant une durée de 0, 20 à 10 heures, à une température inférieure ou égale à 100 C, avec une vitesse d'agitation inférieure ou égale à 1000 tours/min.

Puis, dans le cas d'une matrice organique thermodurcissable, l'ensemble des particules minérales est mélangé à des particules organiques destinées à former la matrice organique, par mélange mécanique. Le mélange est, alors, réalisé par agitation, pendant une durée de 0,20 minutes à 10 heures et avec une vitesse d'agitation inférieure ou égale à 1000 tours/min. La température à laquelle est réalisé le mélange est inférieure ou égale à 500 C. Dans le cas o d'une matrice organique thermoplastique, le mélange entre les particules minérales et les particules organiques est réalisé par fusion également appelé "compoundage".

Une fois le mélange entre les particules minérales et les particules organiques réalisé, celui-ci peut être mis en forme par moulage pour former, par exemple, au moins une partie d'une pièce mécanique dans des domaines tels que le domaine automobile. La mise en forme par moulage peut également permettre de réaliser une pièce mécanique entièrement en matériau composite. La mise en forme par moulage peut être réalisée par tout type de procédé connu tel que l'injection, l'injection-compression, la compression ou le surmoulage d'un insert métallique, en polymère ou en matériau composite. La pièce mécanique ainsi obtenue peut éventuellement subir un traitement, par exemple thermique, mécanique ou chimique, pour améliorer les caractéristiques du matériau composite telles que ses propriétés mécaniques.

Un matériau composite selon l'invention présente l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre et d'être relativement peu coûteux à fabriquer, utilisant des procédés de mise en oeuvre de grande série, reconnus industriellement. De plus, la réalisation d"une pièce mécanique comprenant au moins une partie en matériau composite ne nécessite qu'une étape de mise en forme par moulage compatible avec les procédés de fabrication de grande série, sans nécessiter d'usinage mécanique ultérieur, contrairement à une pièce mécanique en alliage d'aluminium. Ceci permet, alors, de diminuer le prix de revient des pièces mécaniques fabriquées, tout en permettant d'obtenir des pièces mécaniques performantes mécaniquement et stables d'un point de vue dimensionnel, géométrique et thermique.

En effet, la présence des particules non oxydes dans la matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique apporte, par rapport à une matrice organique non renforcée: - une augmentation des résistances mécaniques (Rr, A%), à température ambiante et à basse température (jusqu'à -50 C), en traction et/ou en compression, en flexion...

- un accroissement du module d'élasticité longitudinal E ainsi que du coefficient de Poisson v, - une amélioration de l'élasticité, de la ductilité, de la rigidité et/ou de la ténacité, une atténuation de la dégradation du matériau à température élevée, - une amélioration de la tenue à la fatigue et au vieillissement, - une augmentation de l'indice de performance E/p correspondant à l'indice de performance tenant compte de la déformation élastique et de l'allongement, - une augmentation de la température de transition vitreuse Tg, - une réduction du coefficient de dilatation linéaire ainsi que du retrait transversal pendant et après l'étape de mise en forme par moulage; - une atténuation du phénomène de distorsion des plans, des surfaces, après l'étape de mise en forme par moulage.

- et, plus particulièrement pour les matrices organiques thermoplastiques, une augmentation de la résistance à l'usure, à l'abrasion...

A titre d'exemple, des matériaux composites A, B, C et D ayant les compositions indiquées dans le tableau ci-dessous ont été testés mécaniquement.

Particules minérales Matrice Particules Particules oxydes polymère non oxydes traitées traitées par un agent de par un agent de couplage couplage Matériau PF1107C> 99% de TiN 99% AI2O3 Composite + + A 1% Polysilane 1% Polysilane 85% 15% oxydes traitées et 50% de dont 50% de particules non traitées particules oxydes _ PF6771 @ 99% de TiN 99% AI203 Matériau + + Composite 1% de Polysilane 1% de Polysilane

B

85% 15% traitées et 50% de dont 50% de particules non oxydes traitées particules oxydes Matériau PF6771 @ 99% de TiN 99% AI203 Composite + + C 1% de Polysilane 1% de Polysilane 85% 15% traitées et 20% de dont 80% de particules non oxydes des traitées articules ox Matériau PEEK + 30% 99% de HfN - Composite de fibres de + D carbone l c% de Poly-silane 95% 5% Les polymères PF11107 et PF6771 formant la matrice organique des matériaux composites A, B et C sont des composés phénoliques destinés à être moulés et commercialisés par la société Bakelite AG tandis que la matrice organique du matériau composite D est constituée par un polymère thermoplastique polyéther éther cétone (PEEK) chargé par 30% en poids de fibres de carbone. Les particules non oxydes TiN et HfN sont, de préférence, obtenues à partir d'un procédé de fabrication selon la demande de brevet WOA- 9947454.

Pour les matériaux composites A, B et C, les particules oxydes et les particules non oxydes sont respectivement mélangées mécaniquement avec du polysilane, puis elles sont mélangées ensemble, par agitation, à une température de 20 C, pendant une heure et avec une vitesse d'agitation inférieure à 1000 tours/minute. L'ensemble est alors mélangé mécaniquement o avec une poudre organique destinée à former la matrice organique du matériau composite. Les conditions de mélange entre les particules organiques et les particules minérales sont les mêmes que celles du mélange entre particules minérales. Pour le matériau composite D, le mélange entre les particules non oxydes traitées par l'agent de couplage et la poudre organique chargée par des fibres de carbone est réalisé par "compoundage".

Les tests mécaniques sur le matériau composite A montrent: ^ En traction: un gain de 15% pour la résistance à la rupture à 150 C par rapport à une matrice polymère PF1107 non chargée en particules minérales, une atténuation de la dégradation du matériau composite A lorsque la température passe de 20 C à 150 C par rapport à une matrice polymère PF1107 non chargée en particules minérales, un gain de 10% pour l'allongement A% à 150 C par rapport à la matrice 25 polymère non chargée en particules minérales, un gain de 20% et de 70% du module d'Young, respectivement à 20 C et à 150 C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales.

une augmentation de la valeur spécifique du module E/p par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales une augmentation de 10% de la température de transition vitreuse par rapport à la matrice polymère non chargée.

^ En compression: Un gain respectivement de 15%, 10% et 10% pour la résistance à la rupture, à -50 C, à 20 C et à 100 C, par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales.

Les tests mécaniques sur le matériau composite B montrent: un gain de 10% pour la résistance à la rupture à 150 C par rapport à une matrice polymère PF6771 non chargée en particules minérales, une atténuation de la dégradation du matériau composite B lorsque la température passe de 20 C à 150 C par rapport à une matrice polymère PF6771 non chargée en particules minérales, - un gain de 40% et de 35% du module d'Young, respectivement à 20 C et à 150 C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales.

une augmentation de la valeur spécifique du module E/p par rapport à la 20 matrice polymère non chargée en particules minérales, une augmentation de 10% de la température de transition vitreuse par rapport à la matrice polymère non chargée.

Par ailleurs, des mesures de diamètres extérieurs, d'épaisseurs et de planéité destinées à déterminer les retraits longitudinaux et transversaux et à mettre en évidence les retassures et/ou les phénomènes de distorsion sont réalisés sur une pièce mécanique de révolution réalisée en matériau composite B. De tels mesures montrent une amélioration de la stabilité dimensionnelle de la pièce mécanique, par rapport à une pièce mécanique réalisée en matrice organique non chargée.

Les tests mécaniques sur le matériau composite C montrent: un gain de 25% pour l'allongement A% à 100 C, par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales, un gain de 65% pour l'allongement A% à 150 C, par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales, une amélioration de 125% de l'allongement A% du composite C lorsque la température passe de 20 à 150 C.

Les tests mécaniques sur le matériau composite D montrent: un gain de 25 %> pour la résistance à la rupture à 23 C par rapport à une matrice organique en PEEK chargée en fibres de carbone et non chargée en particules minérales et un gain de 15% pour la résistance à la rupture à 100, 150 et 200 C, un gain de 55% pour l'allongement A% à 23 C et à 100 C et de 50% à 150 et 200 C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales, un gain de 10% du module d'Young à 150 C par rapport à la matrice polymère non chargée en particules minérales.

De tels matériaux composites sont, ainsi, capables de répondre à des cahiers des charges fonctionnels sévères, habituellement remplis par des matériaux métalliques tels que les alliages d'aluminium.

A titre d'exemple, un matériau composite comprenant une matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique dans laquelle sont au moins uniformément réparties des particules non oxydes, peut être utilisé pour former au moins une partie d'une pièce mécanique telles que des pièces utilisées dans l'industrie automobile, aéronautique, chimique, pétrochimique, l'électronique, les télécoms, la bijouterie, l'horlogerie et le domaine médical. Par exemple, une telle pièce mécanique peut être utilisée dans un ensemble turbocompresseur, en tant que plaque arrière, plaque d'étanchéité, carter compresseur, roue de compression de l'air ("impellers"). Elle peut, également, être utilisée dans un ensemble de pompe de direction assistée, en tant que plaque frontale, plaque de contrôle, couvercle... De telles pièces mécaniques sont actuellement et depuis de nombreuses années réalisées en matériau métallique.

Par ailleurs, une pièce mécanique comportant au moins une partie constituée par le matériau composite selon l'invention peut être renforcée mécaniquement et/ou stabilisée d'un point de vue dimensionnel et géométrique par tout moyen.

Elle peut, par exemple, comporter un insert sur lequel est surmoulé le matériau composite. Les inserts peuvent alors être des inserts métalliques, des inserts en polyrère, également appelés inserts plastiques, ou des inserts en matériau composite, par exemple en un matériau composite selon l'invention. Les inserts en polymère ou en matériau composite sont, par facilité de langage, appelés des inserts à matrice organique, en opposition aux inserts métalliques.

Le choix d'utiliser un insert, et plus particulièrement le choix de sa forme et de sa géométrie, de la nature et de la nuance du matériau, ainsi que de sa position dans la pièce mécanique, de son procédé de fabrication et de son prix, sont déterminés par le type de sollicitations, par la répartition des contraintes et par le niveau de caractéristiques mécaniques requises selon l'application donnée et par les dimensions de la pièce mécanique finale. Dans le domaine des pièces mécaniques automobiles, les matériaux choisis pour la réalisation des inserts sont choisis pour être résistants à l'oxydation et à la corrosion.

Les inserts métalliques sont, par exemple, choisis parmi: les aciers inoxydables tels que les aciers ferritiques, par exemple de type AISI 430, AISI 441, les aciers austénitiques, par exemple de type AISI 301, AISI 304, les aciers traités par bichromatage, chromatage, cataphorèse, électrozingage,..., les aciers galvanisés, les alliages d'aluminium.

Ils sont, par exemple, réalisés par découpage, découpage et emboutissage, forgeage, fonderie et/ou usinage. De plus, ils ont, de préférence, une épaisseur, comprise entre 0,lmm et 3mm et, plus particulièrement comprise entre 0,8mm et 1,5mm.

Les inserts à matrice organique sont, par exemple, choisis parmi: 20 les polymères thermoplastiques tels que le polyarylamide, les matériaux composites comportant une matrice organique thermoplastique, chargée par tout type d'éléments de renfort et éventuellement par des particules minérales comportant au moins des particules non oxydes, quasi-sphériques et dont la gamme granulométrique est comprise entre 0,011.tm et 4 m.

Les inserts à matrice organique peuvent également subir un traitement de surface ou un traitement thermique, destiné, par exemple, à renforcer leurs caractéristiques mécaniques. Ils sont réalisés par tout type de procédé connu, tel que, par exemple, par injection et/ou compression.

Les inserts métalliques sont, indifféremment utilisés pour réaliser des pièces mécaniques comportant au moins une partie en matériau composite avec une matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique tandis que les inserts à matrice organique sont utilisés essentiellement avec une matrice organique thermoplastique. Généralement, les inserts métalliques sont recouverts totalement ou partiellement par le matériau composite, tandis que les inserts à matrice organique sont surmoulés par une enveloppe en matériau composite, dont l'épaisseur varie entre 0,1 et 10mm et plus particulièrement entre 0,5 et 1,5mm. De plus, pour des performances équivalentes, les inserts o métalliques ont, de préférence, un volume inférieur à celui des inserts à matrice organique et plus particulièrement des inserts plastiques.

Selon un premier exemple d'utilisation, les figures 1 à 3 et 4 à 6 illustrent, respectivement, l'utilisation d'un insert à matrice organique et d'un insert métallique dans une pièce mécanique de type plaque arrière ("Backplate") utilisée dans un ensemble turbocompresseur, notamment dans le domaine automobile. Ainsi, les figures 1 et 4, représentent, en coupe, une partie en matériau composite 1 d'une plaque arrière tandis que les figures 2 et 5 représentent les inserts respectivement en plastique et métallique 2 destinés à améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique de la plaque arrière et/ou à la renforcer mécaniquement, à la rigidifier. Comme représenté aux figures 3 et 6, la partie en matériau composite 1 est surmoulée sur l'insert 2. A la figure 3, la partie en matériau composite 1 est totalement surmoulée sur l'insert 2 tandis qu'à la figure 6, la partie en matériau composite 1 est partiellement surmoulée sur l'insert 2. A titre d'exemple, la partie en matériau composite 1 comporte 90% en poids de PF6771 et 10% en poids de particules minérales comprenant 80% en poids de particules de nitrure de titane traitées par du polysilane et 20% en poids de particules d'alumine traitées par du polysilane.

L'insert métallique est, par exemple, un acier de type AISI 430, formé par découpage et soyage et ayant une épaisseur de I mm.

Selon un second exemple de réalisation, les figures 7 à 9 et les figures 10 à 12 illustrent, respectivement, l'utilisation d'un insert à matrice organique et d'un insert métallique dans une pièce mécanique de type plaque d'étanchéité ("Sealpiate") utilisée dans un ensemble turbocompresseur, notamment dans le domaine automobile. Ainsi, les figures 7 et 10, représentent, en coupe, une partie en matériau composite 3 d'une plaque d'étanchéité tandis que les figures 8 et 11 représentent les inserts 4, respectivement en plastique, et métallique, destinés à améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique de la plaque d'étanchéité et/ou à la renforcer. Comme représenté aux figures 9 et 12, la partie en matériau composite 3 est surmoulée sur l'insert 4, soit totalement (figure 9), soit partiellement (figure 12). A titre d'exemple, la partie 1s en matériau composite 3 est, par exemple, réalisée avec unematrice organique polyarylamide et l'insert 4 peut également être un insert constitué par un matériau composite ayant une matrice organique polyarlylamide et une épaisseur de l'ordre de I mm.

L'utilisation d'inserts métalliques dans des pièces mécaniques d'un ensemble turbocompresseur permet, plus particulièrement, d'éviter une fragmentation de la pièce mécanique en matériau composite lors d'un éventuel éclatement de la roue de compression, ainsi que la perforation de la pièce par des débris issus de cet éclatement et/ou à améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique de la pièce mécanique, en limitant les retraits, en particulier transversaux, et en atténuant le phénomène de distorsion des plans, des surfaces...

De plus, l'utilisation d'inserts, et plus particulièrement d'inserts métalliques, peut permettre de réduire la proportion en matériau composite et éventuellement d'obtenir un allégement de la pièce mécanique, tout en conservant de bonnes performances mécaniques. Les figures 13 et 14 illustrent le gain de matière pouvant être obtenu avec une plaque d'étanchéité 5 ("sealplate") comprenant un insert métallique 6. En comparaison avec la partie en matériau composite 3 selon la figure 10, la partie en matériau composite 5 selon la figure 13 comporte des nervures de rigidification 7 permettant de réduire l'épaisseur de l'enveloppe formant la partie en matériau composite, tout en conservant de bonnes performances mécaniques.

o Selon un troisième exemple de réalisation, des inserts 8 à matrice organique et métalliques peuvent également être utilisés pour améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique et/ou pour renforcer mécaniquement, rigidifier des carters compresseurs 9 en matériau composite tels que représentés respectivement aux figures 15 et 16. Les figures 15 et 16 illustrent, également, le fait que, pour des performances sensiblement équivalentes, les dimensions et plus particulièrement le volume de l'insert métallique représenté à la figure 16 sont très inférieurs à ceux de l'insert à matrice organique représenté à la figure 15. Généralement, le volume de l'insert métallique est inclus dans le volume de l'insert à matrice organique et plus particulièrement de l'insert plastique. A titre d'exemple, dans le cas d'un carter compresseur comprenant un insert à matrice organique ou métallique, la partie en matériau composite 9 peut être constituée de 95% en poids de matrice organique, par exemple polyarylamide, et de 5% en poids d'un mélange de particules minérales comprenant 50% en poids de nitrure de titane traité par du polysilane et 50% en poids d'alumine traitée par du polysilane. Dans le cas d'un insert 8 à matrice organique, il est, par exemple, constitué par un matériau composite comprenant 95% en poids de polyarylamide et 5% en poids de particules minérales dont la constitution est identique à celle des particules minérales renforçant la matrice organique de la partie en matériau composite. Dans le cas d'un insert 8 métallique, il est, par exemple, constitué d'un acier de type AISI430 et a une épaisseur de l'ordre de 1 mm.

Selon un autre exemple d'utilisation, les figures 17 à 19 et 20 à 22 illustrent, respectivement, l'utilisation d'un insert à matrice organique et d'un insert métallique dans une pièce mécanique de type plaque de contrôle ("Steuerplatte") utilisée dans un ensemble de pompe de direction assistée, notamment dans le domaine automobile. Ainsi, les figures 17 et 20, représentent une partie en matériau composite 10 d'une plaque de contrôle tandis que les figures 18 et 21 représentent les inserts 11, respectivement en plastique et métallique. Comme représenté aux figures 19 et 22, la partie en matériau composite 10 est surmoulée sur l'insert 11. Le matériau composite peut être à matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique.

Des inserts 13 à rnatrice organique et métalliques peuvent également être utilisés pour réaliser des pièces mécaniques de type plaque frontale ("Stirnplatte"), utilisées dans un ensemble de pompe de direction assistée, notamment dans le domaine automobile et comme illustrées respectivement aux figures 23 à 25 et 26 à 28. Ainsi, les figures 23 et 26, représentent une partie en matériau composite 12 à base d'une matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique, d'une plaque avant tandis que les figures 24 et 27 représentent les inserts 13, respectivement en plastique et métallique, destinés à améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique de la plaque frontale et/ou à la renforcer mécaniquement. Comme représenté aux figures 25 et 28, la partie en matériau composite 12 est surmoulée sur l'insert 13.

Dans les pièces mécaniques utilisées dans un ensemble pour turbocompresseur et pour pompe de direction assistée, l'utilisation d'inserts métallique ou à matrice organique permet d'améliorer la stabilité dimensionnelle et géométrique des pièces mécaniquement tout en limitant les retraits, en particulier les retraits transversaux, et en atténuant le phénomène de distorsion. Plus particulièrement, les inserts métalliques permettent également, en association avec un matériau composite selon l'invention, d'améliorer les résistances mécaniques de pièces et, plus particulièrement les résistances à l'éclatement pour les pièces de turbocompresseurs et aux pressions de fluides pour les pièces de pompes ainsi que la rigidité des pièces.

Dans ces différents exemples de réalisation, les matrices des parties en o matériau composite sont, par exemple, pour les matrices organiques thermodurcissables, une matrice phénol-formaldéhyde et, pour les matrices organiques thermoplastiques, une matrice polyarylamide. II est bien évident que de telles matrices peuvent être remplacées par d'autres matrices thermodurcissables ou thermoplastiques, notamment dans les cas où il est nécessaire de disposer d'une matrice organique présentant une meilleure tenue aux températures élevées ou cryogéniques. De plus, les moyens de renforcement et/ou de stabilisation dimensionnelle et géométriques ne sont pas limités aux exemples décrits et peuvent s'appliquer à tout type de pièce mécanique comportant au moins une partir en matériau composite selon l'invention.

Il est également possible de renforcer la partie en matériau composite d'une pièce mécanique par une étiquette, également appelée "liner", surmoulée ou collée sur la surface extérieure de la partie en matériau composite. Une telle étiquette forme alors un "revêtement de renforcement". Elle est choisie en fonction des températures auxquelles est soumise la pièce mécanique, selon la nature du matériau composite formant la partie à revêtir, selon le prix total de la pièce mécanique, en fonction du type de sollicitations auxquelles est soumise la pièce mécanique, de la répartition des contraintes... Elle est, par exemple, constituée par du polyétherimide, du polyester stabilisé, une feuille d'aluminium écroui enduite de vinyle. Elle peut être utilisée avec des matériaux composites ayant une matrice organique thermodurcissable ou thermoplastique. Elle est, par exemple, réalisée par moulage et découpage.

Une telle étiquette est généralement utilisée pour protéger des pièces mécaniques d'un ensemble turbocompresseur, telles que les plaques arrières et les plaques d'étanchéité, de manière à empêcher la dispersion de fragments de pièce mécanique, si celle-ci se rompt lors d'un éclatement de la roue de compression. Les figures 29 et 30 illustrent l'utilisation d'une étiquette adhésive 14 en polyétherimide de 25 m d'épaisseur, disposée à la surface d'une plaque arrière 15 en matériau composite. A titre d'exemple, la plaque arrière 15 est constituée d'un matériau composite comportant 90% en poids de PF6771 et 10% en poids de particules minérales comportant 80% en poids de nitrure de titane traité avec du polysilane et 20% en poids d'alumine traitée avec du polysilane.

Un matériau composite, par exemple, renforcé et/ou stabilisé d'un point de vue dimensionnel et géométrique soit par un insert, soit par une étiquette permet de réaliser des pièces mécaniques susceptibles de répondre à un cahier des charges fonctionnel sévère, généralement rempli par des pièces mécaniques en métal, tout en étant fabriqué à moindre coût et éventuellement en grande série. Un tel matériau peut alors remplacer les alliages métalliques tels que les alliages d'aluminium qui présentent l'inconvénient de nécessiter une opération d'usinage.

Claims (24)

Revendications

1. Matériau composite comportant une matrice organique choisie parmi la famille des polymères thermoplastiques et la famille des polymères thermodurcissables et dans laquelle sont uniformément réparties des particules minérales, matériau composite caractérisé en ce que les particules minérales comportent au moins des particules non oxydes, quasisphériques et dont la gamme granulométrique est comprise entre 0,011.tm et 4 m.

2. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules non oxydes sont choisies parmi les carbures, les nitrures, les carbonitrures d'au moins un métal réfractaire et leur mélange.

3. Matériau composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que le métal réfractaire est choisi parmi le titane, le zirconium, le hafnium, le tantale, le niobium, le tungstène, le molybdène, le bore et le silicium.

4. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la gamme granulométrique des particules non oxydes est comprise entre 0,1 m et 1 m.

5. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la proportion en poids des particules non oxydes par rapport au poids total du matériau composite est inférieure ou égale à 60%.

6. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matrice organique est constituée par un polymère polaire.

7. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matrice organique est constituée par un polymère thermodurcissable choisi parmi les résines phénol-formaldéhydes.

8. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la matrice organique est constituée par un polymère thermoplastique choisi parmi les résines polyéther éther cétones, les polyaryléthercétones, les polyarylamides et les polyamides.

9. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la matrice organique comporte des charges organiques ou inorganiques.

10. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les particules minérales comportent des particules oxydes.

11. Matériau composite selon la revendication 10, caractérisé en ce que les particules oxydes sont choisies parmi les oxydes d'aluminium, les oxydes de silicium, les oxydes de titane et les oxydes de zirconium et un mélange desdits oxydes.

12. Matériau composite selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les particules oxydes ont une granulométrie moyenne de l'ordre de 10 m.

13. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la proportion en poids des particules oxydes par rapport au poids total du matériau composite est inférieure ou égale à 60%.

14. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un agent de couplage choisi parmi les composés polycarboxyliques, les composés polysilanes et leur combinaison.

15. Matériau composite selon la revendication 14, caractérisé en ce que la proportion en poids de l'agent de couplage est comprise entre 0.1 et 15 % par rapport à la proportion totale en poids de particules minérales.

16. Pièce mécanique caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une partie o (1, 3, 5, 9, 10, 12, 15) constituée par un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 15.

17. Pièce mécanique selon la revendication 16, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un insert (2, 4, 6, 8, 11, 13) métallique, en polymère ou en matériau composite et sur lequel est surmoulé le matériau composite.

18. Pièce mécanique selon la revendication 17, caractérisée en ce que l'insert (2, 4, 6, 8, 11, 13) étant un insert métallique, il a une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 3mm.

19. Pièce mécanique selon la revendication 18, caractérisée en ce que l'insert (2, 4, 6, 8, 11, 13) a une épaisseur comprise entre 0,8mm et 1, 5mm.

20. Pièce mécanique selon la revendication 17, caractérisée en ce que l'insert (2, 4, 6, 8, 11, 13) étant un insert en polymère ou en matériau composite, le matériau composite surmoulé sur l'insert est sous forme d'une enveloppe ayant une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 10mm.

21. Pièce mécanique selon la revendication 20, caractérisée en ce que l'enveloppe a une épaisseur comprise entre 0,5mm et 1,5mm.

22. Pièce mécanique selon la revendication 16, caractérisée en ce qu'elle comporte une étiquette (14) surmoulée ou collée sur la surface extérieure de la partie (15) constituée par le matériau composite.

23. Pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications 16 à 22, caractérisée en ce que la surface de la pièce mécanique est traitée io thermiquement, mécaniquement ou chimiquement.

24. Utilisation d'une pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications 16 à 23 dans un turbocompresseur ou dans une pompe de direction assistée.