FR2975942A1 - Piece composite avec interface metallique - Google Patents

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Abstract

L'invention se rapporte à une pièce (10, 20, 40) structurale en matériau composite, comprenant un pli (11, 21) de fibres (12, 22) de carbone unidirectionnelles selon un premier axe (13, 23), ladite pièce comprenant en outre un élément (14, 29, 34, 41) métallique aligné avec ledit pli de carbone selon ledit premier axe, ladite pièce étant caractérisée en ce qu'elle comporte une première surface (15, 32, 33) de contact entre le pli de carbone et l'élément métallique, ladite surface étant sensiblement parallèle au premier axe, de sorte à permettre un transfert thermique et/ou électrique entre lesdites fibres de carbone et ledit élément métallique. Une telle pièce peut être utilisée dans une structure nécessitant un bon transfert thermique et/ou électrique, associé à une résistance mécanique importante pour un faible poids.

Description

Pièce composite avec interface métallique
L'invention se rapporte au domaine des matériaux composites, en particulier les matériaux incluant des fibres de carbone.
L'industrie des matériaux composites utilise de manière courante des fibres de carbone, en raison de leur légèreté combinée à une grande résistance mécanique. Dans le domaine de l'aéronautique, il est notamment avantageux de remplacer des éléments métalliques par des éléments composites, pour des raisons de gain de masse.
Cependant, l'introduction des matériaux composites dans la réalisation d'assemblages est freinée par la difficulté à garantir une continuité de certaines propriétés au niveau desdits assemblages. Il s'agit notamment des propriétés de transfert thermique et/ou électrique, qui sont assurées par les assemblages métalliques connus de l'art antérieur.
En effet, un matériau composite carbone comporte typiquement un renfort constitué de fibres de carbone. Certains types de fibres de carbone possèdent de bonnes propriétés de transfert thermique et/ou électrique. Dans ce domaine, les fibres constituées de nanotubes de carbone sont particulièrement performantes, comme par exemple décrit dans le document EP2145972. Cependant, les fibres d'un matériau composite sont classiquement incorporées dans une matrice polymère, en général isolante. Le matériau obtenu est donc anisotrope, le transfert thermique et/ou électrique ayant lieu essentiellement dans la direction des fibres. Cet effet est particulièrement marqué dans les nappes de carbone unidirectionnelles, dans lesquelles les fibres sont rangées selon une direction principale. Au niveau de l'assemblage de l'interface d'un tel matériau composite, il est très difficile d'assurer le transfert du flux thermique et électrique entre deux pièces assemblées mécaniquement selon les techniques classiques connues de l'homme de l'art (rivetage, boulonnage, soudage...). A l'heure actuelle, le packaging d'un boitier électronique avionique est réalisé en métal, notamment en alliage d'aluminium. Il n'existe donc quasiment pas de problème d'échange ou de transmission d'énergie entre les différentes parties qui le composent.
Pour des raisons de gain de poids, il serait avantageux de remplacer le métal par un matériau composite. Cependant, il serait difficile audit composite d'assurer une dissipation thermique suffisante pour répondre aux niveaux de contrainte actuels, imposés par l'accroissement de la puissance dissipée par l'électronique. De même, de nombreux éléments de structure composite incorporés à un aéronef nécessitent un retour de courant électrique. Il existe donc un besoin d'améliorer le transfert thermique et/ou électrique de matériaux assurant une fonction mécanique, tels que les composites à fibres de carbone. La présente invention a pour objet de résoudre ces problèmes. En effet, l'invention se rapporte à des pièces composites comportant un élément métallique d'interface, ledit élément assurant le transfert des flux thermiques et/ou électriques passant par les fibres de carbone.
Un objet de l'invention est donc une pièce structurale en matériau composite, comprenant un ou plusieurs plis de fibres de carbone unidirectionnelles selon un premier axe, ladite pièce comprenant en outre un élément métallique aligné avec le(s) pli de carbone selon ledit premier axe, ladite pièce étant caractérisée en ce qu'elle comporte une première surface de contact entre le(s) pli(s) de carbone et l'élément métallique, ladite surface étant sensiblement parallèle au premier axe. Le recouvrement entre les fibres de carbone et l'élément métallique permet un transfert thermique et/ou électrique entre lesdites fibres de carbone et ledit élément métallique.
Préférentiellement, la pièce comporte une pluralité de plis de carbone unidirectionnels selon le premier axe, lesdits plis étant superposés selon un deuxième axe perpendiculaire au premier axe, chaque pli comportant une première surface de contact avec l'élément métallique, ladite surface étant sensiblement parallèle au premier axe et sensiblement perpendiculaire au deuxième axe. En effet, plus la pièce contient de plis de carbone reliés thermiquement et/ou électriquement à l'élément métallique, plus le transfert est efficace. Il est connu, par exemple du document FR2761380, de réaliser des matériaux composites en empilant des nappes unidirectionnelles orientées selon des directions différentes. Un tel empilement assure une meilleure cohésion mécanique du matériau composite formé après polymérisation de la matrice. Ainsi, selon une forme préférentielle de l'invention, la pièce comporte en outre au moins un pli de carbone unidirectionnel disposé selon un troisième axe, ledit axe formant un angle compris entre 0 et 90° avec le premier axe, ledit pli étant intercalé selon le deuxième axe entre deux plis unidirectionnels selon le premier axe. La pièce peut par exemple comporter trois directions de plis, formant entre elles des angles de ±60°. La pièce peut également comporter trois ou quatre directions de plis, formant entre elles des angles de ±45° ou ±90°. Selon une forme de l'invention le pli disposé selon le troisième axe comporte une deuxième surface de contact avec l'élément métallique, ladite surface étant sensiblement parallèle au premier axe et sensiblement perpendiculaire au deuxième axe. Ainsi, un transfert thermique et/ou électrique peut également être réalisé avec les fibres de carbone non orientées parallèlement au premier axe de la pièce. Cette forme de l'invention présente un intérêt plus important dans le cadre du transfert thermique que pour le transfert électrique. Préférentiellement, au moins une surface de contact formée par l'élément métallique comporte des perforations et/ou des reliefs. Une telle surface rugueuse et/ou irrégulière présente un meilleur contact avec les fibres de carbone, ce qui améliore le transfert thermique et/ou électrique. Un autre objet de l'invention est un support de composant électronique, comprenant une pièce en matériau composite tel que décrit ci-dessus. Le transfert thermique dans ladite pièce étant optimisée, cette dernière peut être incorporée à un échangeur de chaleur visant à dissiper la puissance thermique d'un composant électronique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont données à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - Figure 1 : une vue schématique partielle d'une pièce structurale selon un mode de réalisation de l'invention ; - Figure 2 : une vue schématique partielle, de dessus, d'une pièce structurale selon un mode de réalisation de l'invention ; - Figure 3 : une vue schématique en coupe de la pièce structurale de la figure 2 ; - Figure 4 : une vue schématique en coupe d'une pièce structurale selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 montre une vue schématique partielle d'une pièce 10 structurale selon un mode de réalisation de l'invention. La pièce 10 en matériau composite comprend un pli 11 de carbone. Ledit pli 11 est formé de fibres 12 de carbone. Les fibres 12 sont incorporées à une matrice polymère (non représentée), préférentiellement une résine époxy. Le pli 11 est unidirectionnel, c'est-à-dire que les fibres 12 sont disposées de manière unidirectionnelle, sensiblement parallèlement à un axe 13. Les fibres 12 sont disposées de manière sensiblement plane, de sorte qu'une épaisseur du pli 11 soit sensiblement égale à l'épaisseur d'une fibre 12. Certaines fibres de carbone, par exemple les fibres pitch à haute conductivité thermique, ont de très bonnes propriétés de conduction thermique et/ou électrique. La conduction s'effectue principalement selon l'axe 13 des fibres. Au contraire, la matrice polymère est en général un bon isolant thermique et électrique. La pièce 10 en matériau composite comporte un élément 14 métallique aligné avec le pli 11 de carbone selon l'axe 13. L'élément 14, par sa nature métallique, est apte à conduire la chaleur et le courant électrique. Afin d'assurer une bonne transmission thermique et/ou électrique entre les fibres 12 et l'élément 14, la pièce 10 comporte une surface 15 de recouvrement entre le pli de carbone et l'élément métallique. La surface 15 assure un contact entre les fibres 12 et l'élément 14 sensiblement parallèlement à l'axe 13. Cette surface de contact permet un transfert thermique et/ou électrique entre les fibres 12 et l'élément 14 métallique.
Le métal étant un matériau isotrope, l'élément 14 permet ensuite d'assurer un transfert thermique et/ou électrique dans plusieurs directions, et non uniquement selon l'axe 13. La figure 2 montre une vue schématique partielle d'une pièce 20 en matériau composite, selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Plus spécifiquement, la figure 2 représente certains plis de carbone de la pièce 20. La pièce 20 comporte notamment un pli 21 de carbone. Le pli 21 est formé d'une nappe de fibres 22 unidirectionnelles, disposées selon un premier axe 23. On considère un repère cartésien (X, Y, Z), dans lequel l'axe 23 est parallèle à l'axe X, le pli 21 étant disposé dans un plan (X, Y). Préférentiellement, la pièce 20 comporte plusieurs plis 21 unidirectionnels selon l'axe 23. Ces plis 21 sont superposés selon l'axe Z. La pièce 20 comporte en outre un pli 24 formé d'une nappe de fibres unidirectionnelles, lesdites fibres étant disposées selon un deuxième axe 25. L'axe 25 forme par exemple avec l'axe 23 un angle a de +60°. Préférentiellement, la pièce 20 comporte plusieurs plis 24 unidirectionnels selon l'axe 25. Ces plis 24 sont superposés selon l'axe Z et intercalés avec les plis 21.
La pièce 20 comporte en outre un pli 26 formé d'une nappe de fibres unidirectionnelles, lesdites fibres étant disposées selon un troisième axe 27. L'axe 27 forme par exemple avec l'axe 23 un angle a' de -60°. Préférentiellement, la pièce 20 comporte plusieurs plis 26 unidirectionnels selon l'axe 27. Ces plis 26 sont superposés selon l'axe Z et intercalés avec les plis 21 et 24. Selon une variante de l'invention, des couches d'autres types de matériaux peuvent être intercalées entre les plis (21, 24, 26) de carbone, afin par exemple de modifier les propriétés mécaniques de la pièce 20. Ces couches peuvent notamment comporter des fibres de verre.
La figure 3 montre une vue schématique en coupe selon un plan (X, Z) de la pièce 20 dont des plis de carbone sont représentés à la figure 2. La pièce 20 comporte des plis (21, 24, 26), superposés en alternance selon l'axe Z. Les fibres de carbone desdits plis sont solidarisées par une matrice 28, par exemple une résine époxy.
La pièce 20 comporte en outre un élément 29 métallique, aligné avec les plis (21, 24, 26) de carbone selon l'axe 23. Dans l'exemple de la figure 3, l'élément 29 métallique comprend des lames (30, 31) métalliques parallèles, disposées selon des plans (X, Y). Les plis (21, 24, 26) de carbone sont intercalés entre lesdites lames. En conséquence, chaque pli (21, 24, 26) est au contact de l'élément 29 métallique par au moins une surface (32, 33) de contact, disposée selon un plan (X, Y). La conduction électrique et/ou thermique dans les fibres de carbone s'effectue principalement selon l'axe de la fibre. Selon une variante de l'invention, il est possible de donner aux lames (30, 31) des dimensions différentes selon l'axe X. Dans l'exemple de la figure 3, des lames 30 sont destinées à être au contact de plis (24, 26) dont l'axe des fibres est orienté obliquement par rapport à l'axe X. Lesdites lames 30 peuvent être plus longues selon ledit axe X que des lames 31 destinées à être au contact de plis 21 unidirectionnels selon l'axe X. La longueur des lames 30 leur permet d'être au contact d'un plus grand nombre de fibres, ce qui améliore le transfert électrique et/ou thermique. Une variante de l'invention est illustrée par un deuxième élément 34 métallique appartenant à la pièce 20 de la figure 3. L'élément 34 est aligné avec les plis (21, 24, 26) de carbone selon l'axe 23, du côté opposé à l'élément 29. L'élément 34 favorise le transfert thermique et/ou électrique, en priorité avec les plis 21 unidirectionnels selon l'axe X / 23. Ainsi, l'élément 34 comporte des lames 35 analogues aux lames (30, 31), mais disposées préférentiellement au contact de plis 21. Certains plis de carbone de la pièce 20, notamment des plis 24 ou 26, peuvent donc ne pas être au contact de lames 35 de l'élément 34. Selon une variante de l'invention représentée par l'élément 29, l'élément métallique a sensiblement une section en forme de peigne selon un plan (X, Z). Plus précisément, les lames (30, 31) sont solidaires d'un support 36 métallique. Le support 36 étant isotrope, il peut servir d'interface avec les plis (21, 24, 26) pour poursuivre un transfert thermique et/ou électrique dans des directions non contenues dans un plan (X, Y). Plus précisément, le transfert thermique et/ou électrique peut s'effectuer selon l'axe Z dans le support 36. Un procédé d'assemblage des plis (21, 24, 26) avec un élément métallique 29 consiste à insérer entre les lames (30, 31) des nappes de carbone pré-imprégnées de résine, puis à effectuer une polymérisation en autoclave de ladite résine.
Selon une autre variante de l'invention représentée par l'élément 34, l'élément métallique est constitué de lames 35 métalliques dont une première partie forme une surface 37 de contact avec un pli de carbone. Par ailleurs, une seconde partie des lames 35 est traversée par un élément 38 de fixation, préférentiellement conducteur thermique et/ou électrique. L'élément 38 est par exemple une vis métallique disposée selon l'axe Z. La vis 38 sert à solidariser les lames 35 formant l'élément 34, ainsi qu'à assurer un transfert thermique et/ou électrique selon l'axe Z. Il est possible de disposer entre les lames 35 des couches d'un matériau 39, éventuellement isolant, comme du tissu enduit de PTFE. Les couches de matériau 39 évitent le fluage de la résine 28 entre les lames 35 lors de la formation de la pièce 20. La figure 3 est donnée à titre d'exemple illustratif de l'invention ; cependant, pour des pièces 20 disposant d'un élément métallique à chaque extrémité de l'axe 23 principal, il est préférable que les deux éléments (29, 34) métalliques aient une structure et/ou une configuration identique afin d'optimiser le transfert électrique ou thermique. Selon une variante de l'invention représentée à la figure 3, la seconde partie des lames 35 de l'élément 34 est insérée entre des plis de carbone d'une autre pièce composite. L'élément 34 joue alors le rôle d'interface entre deux pièces composites plutôt qu'entre une pièce composite et une pièce métallique. La même variante peut être appliquée à l'élément 29, ce dernier comportant alors deux profils en peigne, situés en vis-à-vis par rapport à un plan (Y, Z).
Selon une forme préférentielle de l'invention, des lames (30, 31, 35) des éléments (29, 34) métalliques sont percés de trous de faible dimension par rapport aux dimensions desdites lames. Des fibres de carbone sont susceptibles de pénétrer dans lesdits trous lors de la formation de la pièce 20, ce qui améliore le contact thermique et/ou électrique.
De même, il est préférable que les surfaces (32, 33, 37) de contact formées par les lames (30, 31, 35) présentent une structure sensiblement rugueuse, des reliefs de ladite surface pouvant alors s'insérer entre les fibres de carbone ou à l'intérieur desdites fibres lors de la formation de la pièce 20.
La figure 4 représente une vue de détail d'une pièce 40 selon un autre mode de réalisation de l'invention. La pièce 40 est représentée en coupe, dans le même repère cartésien que la pièce 20 de la figure 3. De même que la pièce 20, la pièce 40 comporte des plis (21, 24, 26) de carbone, superposés en alternance selon l'axe Z et solidarisés par une matrice 28. La pièce 40 comporte en outre un élément 41 métallique, aligné selon l'axe X avec les plis (21, 24, 26). L'élément 41 se présente sous la forme d'une feuille métallique, par exemple un feuillard de cuivre, repliée en forme d'accordéon. Des plis 42 métalliques de l'élément 41 sont insérés entre les plis (21, 24, 26) de carbone, formant des surfaces 43 de contact avec lesdits plis de carbone. L'élément 41 peut lui-même être relié à une autre pièce, métallique ou composite, afin de servir d'interface pour le transfert thermique et/ou électrique dans la pièce 40.

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS1.- Pièce (10, 20, 40) structurale en matériau composite, comprenant un pli (11, 21) de fibres (12, 22) de carbone unidirectionnelles selon un premier axe (13, 23), ladite pièce comprenant en outre un élément (14, 29, 34, 41) métallique aligné avec ledit pli de carbone selon ledit premier axe, ladite pièce étant caractérisée en ce qu'elle comporte une première surface (15, 32, 33) de contact entre le pli de carbone et l'élément métallique, ladite surface étant sensiblement parallèle au premier axe, de sorte à permettre un transfert thermique et/ou électrique entre lesdites fibres de carbone et ledit élément métallique.
    2.- Pièce (20, 40) selon la revendication 1, comportant une pluralité de plis (21) de carbone unidirectionnels selon le premier axe (23), lesdits plis étant superposés selon un deuxième axe (Z) perpendiculaire au premier axe, chaque pli comportant une première surface (32, 43) de contact avec l'élément métallique, ladite surface étant sensiblement parallèle au premier axe et sensiblement perpendiculaire au deuxième axe.
    3.- Pièce selon la revendication 2, comportant en outre au moins un pli (24, 26) de carbone unidirectionnel disposé selon un troisième axe (25, 27), ledit axe formant un angle compris entre 0 et 90° avec le premier axe (23), ledit pli étant intercalé selon le deuxième axe entre deux plis (21) unidirectionnels selon le premier axe.
    4.- Pièce selon la revendication 3, telle que le pli (24, 26) disposé selon le troisième axe comporte une deuxième surface (33) de contact avec l'élément métallique, ladite surface étant sensiblement parallèle au premier axe et sensiblement perpendiculaire au deuxième axe.
    5.- Pièce selon la revendication 4, telle que la deuxième surface (33) de contact a une dimension selon le premier axe, différente d'une dimension des premières surfaces (32) selon ledit premier axe.35
    6.- Pièce selon l'une des revendications précédentes, telle qu'au moins une surface (32, 33, 43) de contact de l'élément métallique comporte des perforations et/ou des reliefs.
    7.- Pièce (20) selon l'une des revendications précédentes, telle que l'élément métallique comprend des lames (30, 31, 35) métalliques parallèles, disposées sensiblement perpendiculairement au deuxième axe (Z), des plis de carbone étant intercalés entre lesdites lames.
    8.- Pièce selon la revendication 7, telle que l'élément métallique comprend un support (36) aligné avec les lames selon le premier axe, une extrémité de chaque lame étant solidaire dudit support.
    9.- Pièce (40) selon l'une des revendications 1 à 6, telle que l'élément (41) métallique comprend un feuillard métallique plié en accordéon, des plis de carbone étant intercalés entre les plis (42) dudit feuillard métallique.
    10.- Support de composant électronique, comprenant une pièce en matériau composite selon l'une des revendications précédentes.20
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