FR3004138A1 - Composition a base de resine chargee de fibres, procede de realisation de piece en materiau composite et piece en materiau composite - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une composition pour former des pièces en matériau composite (110), ladite composition comprenant au moins une résine (112) chargée avec des fibres (111). Conformément à l'invention, au moins une partie des fibres (111) présentes dans la résine comporte une ou plusieurs portions formant chacune un crochet.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne la réalisation de pièces en matériau composite formée à partir d'une résine chargée ou renforcée avec des fibres de nature variée comme des fibres de verre, carbone, métal, céramique, matériau végétal, etc.

Le renfort de fibres confère au matériau composite de la pièce une rigidité et une rupture à contrainte accrues. Les fibres utilisées pour le renfort peuvent être courtes, typiquement de longueur inférieure à 0,1 mm, ou longues, c'est-à-dire ayant une longueur pouvant aller jusqu'à 23 mm environ. Les fibres peuvent présenter une section de formes variées telle que sphérique, circulaire ou elliptique par exemple. Les propriétés du matériau composite obtenu dépendent des éléments suivants : propriétés thermomécaniques de la résine, - propriétés thermomécaniques des fibres, - géométrie des fibres, - affinité entre les fibres et la résine. Les propriétés mécaniques du matériau sont significativement influencées par, d'une part, le transfert de charge entre la résine et les fibres et, d'autre part, par la longueur des fibres qui permettent un transfert optimal des efforts sur leur longueur et confère au matériau une rigidité accrue. Ce phénomène explique en grande partie l'anisotropie observée sur le comportement des composites à base de résine chargée de fibres (notamment en terme de comportement mécanique et thermique (coefficient de dilatation thermique) et de retrait thermique). Le transfert de charge entre la résine et les fibres peut être amélioré en mettant en oeuvre un ensimage des fibres qui permet de renforcer l'interface mécanique entre les fibres et la matrice. Cependant, l'ensimage est coûteux sur le plan de son développement car il dépend de la nature de résine utilisée et de sa mise oeuvre sur les fibres. L'ensimage impacte, par conséquent, significativement le coût final des fibres.

Par ailleurs, l'augmentation de la longueur des fibres, à des fins d'amélioration des propriétés mécaniques, entraîne un accroissement important de l'anisotropie (ratio des propriétés mécaniques dans le sens des fibres par rapport au sens transverse) du matériau composite final. En outre, l'utilisation de fibres longues entraînent des difficultés dans la mise oeuvre des procédés d'injection comme l'augmentation de la viscosité, la déformation des pièces après injection, la variabilité de la raideur locale notamment liée à la variation des taux volumiques de fibres dans la pièce ainsi qu'à la distribution de longueur des fibres due aux ruptures de certaines d'entre elles lors de la fabrication de la pièce. Aussi, il existe un besoin pour améliorer les propriétés mécaniques des pièces en matériau composite réalisées à partir d'une résine chargée avec des fibres tout en limitant la longueur des fibres et en assurant un transfert des charges performant dans le matériau.

Objet et résumé de l'invention A cet effet, selon l'invention, il est proposé une composition pour former des pièces en matériau composite, ladite composition comprenant au moins une résine chargée avec des fibres, caractérisée en ce qu'au moins une partie des fibres présentes dans la résine comporte une ou plusieurs portions formant chacune un crochet ou une variation importante de forme. Ainsi, en introduisant de telles fibres dans la résine on améliore, dans le matériau résultant, le transfert des charges non seulement entre la résine et la fibre mais aussi entre les fibres elles-mêmes. En effet, les fibres comportant une ou plusieurs portions formant un crochet sont aptes à s'ancrer plus efficacement dans la résine que des fibres ne comportant pas de telles portions. Ces fibres sont en outre aptes à s'accrocher avec la ou les fibres adjacentes et former ainsi des liaisons mécaniques entre les fibres. Il est ainsi possible de créer un matériau composite ayant un réseau ou treillis de fibres plus enchevêtrées que dans un matériau composite de l'art antérieur. Cet enchevêtrement tridimensionnel des fibres permet en outre de diminuer l'anisotropie du comportement mécanique du matériau composite formé à partir de la composition de l'invention.

Selon un premier aspect de la composition de l'invention, au moins une partie des fibres présentes dans la résine a une forme choisie parmi au moins une des formes suivantes : forme de S, forme de Z, forme de L, forme de J, forme de W, forme de U et forme de V.

Selon un deuxième aspect de la composition de l'invention, les fibres présentes dans la résine sont en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivant : verre, carbone, matériau végétal, métal et céramique. Selon un troisième aspect de la composition de l'invention, la résine est choisie parmi au moins : une résine thermodurcissable, une résine thermoplastique et une résine élastomère. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite comprenant la mise en forme et le durcissement d'une composition selon l'invention, à savoir une 15 composition comprenant au moins une résine chargée avec des fibres et caractérisée en ce qu'au moins une partie des fibres présentes dans la résine comporte une ou plusieurs portions formant chacune un crochet. Comme indiqué ci-avant, on obtient grâce à ce procédé une pièce en matériau composite dans laquelle le transfert de charge entre la fibre 20 et la résine ainsi qu'entre les fibres elles-mêmes est significativement amélioré tout en réduisant le comportement anisotrope du matériau en termes de propriétés mécaniques. Selon un premier aspect du procédé de l'invention, au moins une partie des fibres présentes dans la résine a une forme choisie parmi au 25 moins une des formes suivantes : forme de S, forme de Z, forme de L, forme de J, forme de W, forme de U et forme de V. Selon un deuxième aspect du procédé de l'invention, les fibres présentes dans la résine sont en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivant : verre, carbone, matériau végétal, métal et 30 céramique. Selon un troisième aspect du procédé de l'invention, la résine est choisie parmi au moins : une résine thermodurcissable, une résine thermoplastique et une résine élastomère. L'invention a également pour objet une pièce de structure, de 35 support ou d'habillage comprenant une âme structurale en matériau composite constitué d'au moins une matrice organique et d'un renfort fibreux, caractérisée en ce qu'au moins une partie des fibres du renfort fibreux comporte une ou plusieurs portions formant chacune un crochet. La pièce selon l'invention présente ainsi des propriétés mécaniques améliorées comme expliqué ci-avant.

Selon un premier aspect de la pièce de l'invention, au moins une partie des fibres constituant le renfort fibreux a une forme choisie parmi au moins une des formes suivantes : forme de S, forme de Z, forme de L, forme de J, forme de W, forme de U et forme de V. Selon un deuxième aspect de la pièce selon l'invention, les fibres 10 constituant le renfort fibreux sont en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivant : verre, carbone, matériau végétal, métal et céramique. Selon un troisième aspect de la pièce de l'invention, la résine est choisie parmi au moins : une résine thermodurcissable, une résine 15 thermoplastique et une résine élastomère. La présente invention concerne encore un turbopropulseur comprenant au moins une pièce de structure, d'habillage ou de support selon l'invention. La présente invention concerne enfin un aéronef comprenant au 20 moins un turbopropulseur selon l'invention. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, 25 donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1 à 7 sont des vues schématiques d'exemples de formes de fibres comportant au moins une portion formant crochet conformément à des modes de réalisation de la présente invention, 30 - la figure 8 est une photographie microscopique montrant une répartition de fibres dans une résine selon l'art antérieur, la figure 9 est une vue schématique montrant une répartition de fibres ayant une forme de « Z » dans une résine conformément à un mode de réalisation de l'invention, 35 - la figure 10 est une vue schématique en perspective montrant un réseau ou treillis tridimensionnel formé par enchevêtrement 3 0 0 4 1 3 8 5 de fibres ayant une forme de « S » conformément à un mode de réalisation de l'invention, la figure 11 est une vue schématique en perspective montrant l'ancrage d'une fibre ayant une forme de « S » conformément à 5 un mode de réalisation de l'invention, - les figures 12A et 12B sont des vues schématique en coupe montrant la réalisation d'un carter de soufflante conformément à un mode de réalisation du procédé de l'invention, - la figure 13 est une vue schématique en perspective d'un carter de soufflante obtenu conformément au procédé de fabrication décrit aux figures 12A et 12B. Description détaillée de modes de réalisation L'invention s'applique d'une manière générale à la réalisation de pièces en matériau composite à partir d'une composition comprenant au moins une résine chargée ou renforcée avec des fibres. Les pièces peuvent être notamment réalisées par différentes techniques de moulage telles que le moulage simple manuel, le moulage sous vide ou « au sac », le moulage par transfert de résine (RTM), injection (basse ou haute pression), compression simple, thermo-compression, extrusion, rotomoulage, etc. Conformément à l'invention, tout ou partie des fibres utilisées pour charger la résine comportent une ou plusieurs portions formant chacune crochet de manière à améliorer le transfert de charge entre la fibre et la résine mais également entre les fibres comme expliqué ci-après. En effet, afin de fonctionnaliser la forme des fibres pour le transfert de charge, la fibre doit comporter au moins une portion dont le profil ou la topologie varie brutalement afin d'obtenir une fibre apte à s'ancrer dans la résine et à s'accrocher aux fibres adjacentes. A cet effet, un grand nombre de formes de fibre sont envisageables. A titres d'exemples non limitatifs, les figures 1 à 7 montrent des exemples de formes de fibres qui sont aptes à conférer les fonctions envisagées dans la présente invention. La figure 1 montre une fibre 10 présentant une forme de « S » définissant deux portions 11 et 12 formant chacune un crochet. La figure 2 montre une fibre 20 en forme de « Z » comportant deux portions 21 et 22 formant chacune un crochet. La figure 3 illustre une fibre 30 présentant une forme 3 0 0 4 1 3 8 6 de « L » définissant une portion 31 formant un crochet. La figure 4 représente une fibre en forme de J comportant une portion 41 en forme de crochet. La figure 5 montre une fibre 50 en forme de « W » définissant deux portions 51 et 52 formant chacune un crochet. Les figures 6 et 7 5 montrent respectivement des fibres 60 et 70 en forme de « U » et de « V » ayant chacune une forme de crochet. D'autres variations de géométrie de fibre sont bien entendu envisageables comme notamment les formes de fibres décrites ci-avant mais avec un décalage angulaire entre le plan de la portion formant un 10 crochet et le reste de la fibre ou entre les portions formant un crochet (les extrémités de la fibre étant situées dans des plans différentes formant un angle entre eux). Les fibres peuvent également présenter une forme de spirale. Différentes formes de fibres comportant une ou plusieurs portions formant un crochet, comme celles décrites ci-avant, peuvent être utilisées 15 dans une même composition, c'est-à-dire mélangées dans une même résine. La fibre forme de préférence un angle de 90° ou moins au niveau de sa portion formant un crochet afin d'assurer un bon accrochage avec les fibres adjacentes.

20 Les fibres peuvent être en un des matériaux suivants : verre, carbone, métal, céramique. Pour des fibres de verre, on peut utiliser une technique de micro-pultrusion ou extrusion permettant de former un profilé ayant la forme souhaitée dans le sens longitudinal, le profilé étant ensuite débité par tranches d'épaisseur déterminée permettant d'obtenir 25 des fibres de verre ayant une forme selon l'invention. Pour les fibres de carbone, on peut utiliser un précurseur polymère de carbone (début de filière de fibre) qui est déposé sur un plateau suivant la forme des fibres que l'on souhaite obtenir et traité thermiquement de façon connu pour obtenir des fibres de carbone. Dans le cas de fibres métalliques ou de 30 verre, celles-ci peuvent être découpées dans un bloc de matière avec un mouvement de coupe permettant de former un ou plusieurs crochets dans les fibres sous température en fin de filière. Pour les matières de fibres adaptées, celles-ci peuvent être encore formées par estampage ou compression de nappe unidirectionnelle ou par électroformage sur un 35 poinçon en forme. Les fibres selon l'invention peuvent également être formées par extrusion d'un filament découpé en tronçons de longueur 3004 1 3 8 7 équivalente ou aléatoire. Les tronçons sont déposés dans un pot vibrant, en présence d'une charge inerte et sous une température déterminée, de manière à déformer les tronçons par contact avec les charges (impacts, chocs, etc.) et obtenir ainsi des fibres ayant des formes conformes à 5 l'invention. Les paramètres topologiques des fibres tels que les longueurs, les angles, les diamètres, les rayons de courbure sont adaptés en fonction de la nature des fibres, des procédés de mise en oeuvre et des propriétés mécaniques visées pour le matériau. Les fibres présentent une longueur 10 comprise entre 0,1 mm et 23 mm. Par ailleurs, dans le cas de la formation d'une pièce mettant en oeuvre des procédés d'injection, d'infusion, ou équivalents de la composition de la présente invention, les formes des fibres peuvent avoir une influence sur ces procédé, par exemple en augmentant la viscosité du mélange résine-fibres. Cette influence peut 15 être toutefois contrôlée en ajustant le taux ainsi que la taille et la forme des fibres (angle formé par les portions formant un crochet et la ligne moyenne des fibres). En outre, la composition de la présente invention peut contenir à la fois des fibres comportant une ou plusieurs portions formant un crochet et 20 des fibres dites « standards », c'est-à-dire ne comprenant pas de telles portions. Cela permet notamment d'ajuster les propriétés thermomécaniques, de retrait et probablement de viscosité du mélange résine-fibres. La résine utilisée peut être notamment une résine thermoplastique, 25 une résine thermodurcissable ou une résine élastomère. La figure 8 illustre un matériau composite 100 formé de manière habituel à partir d'une résine 102 renforcée avec des fibres courtes 101 présentant une forme standard, c'est-à-dire, sensiblement axiale. On constate que la distribution des fibres 101 dans la résine 102 se fait 30 principalement dans une même dimension, dimension dans laquelle s'opère principalement le transfert de charge. L'anisotropie d'un tel matériau est importante. La figure 9 montre un matériau composite 110 réalisé à partir d'une résine 112 chargée ou renforcée avec des fibres 111 présentant ici, 35 conformément à la présente invention, une forme de « Z ». On constate que les fibres 111 s'étendent dans le matériau 110 suivant plusieurs 3004 1 3 8 8 dimensions permettant un transfert des charges dans ces différentes dimensions. La figure 10 illustre un enchevêtrement de fibres 210 présentant ici, conformément à la présente invention, une forme de « S » et formant au 5 sein d'un matériau composite un réseau ou treillis tridimensionnel 200 qui est « auto-bloqué » mécaniquement. En effet, on peut voir sur la figure 10 que les portions 211 formant un crochet aux extrémités des fibres 210 s'accrochent aux fibres adjacentes créant ainsi des liens mécaniques entre les fibres.

10 La figure 11 représente schématiquement l'ancrage d'une fibre 120 présentant ici, conformément à l'invention, une forme de « S ». Les portions 121 formant crochet aux extrémités de la fibre 120 forment des points d'ancrage de la fibre 120 dans la résine 130. La figure 11 illustre les champs de contraintes 131 générés dans la résine 130 lors d'un 15 chargement du matériau en traction indiqué par les flèches T. On décrit maintenant un exemple de réalisation d'une pièce en matériau composite conformément au procédé de l'invention, la pièce réalisée ici correspondant à un carter d'une soufflante de moteur d'avion. Comme illustré sur les figures 12A et 12B, on utilise un moule d'injection 20 300 qui comprend une cloison interne 301 et une cloison externe 302 délimitant entre elle une chambre d'injection 310 fermée dans sa partie inférieure par un fond 303 et dans sa partie supérieure par un capot 304. Le moule 300 comprend en outre au niveau du fond 303 des conduits d'injection 311 permettant respectivement d'injecter de la résine chargée 25 dans la chambre d'injection 310. Le moule 300 comprend également au niveau du capot 304 des conduits d'aspiration 312 permettant de créer un gradient de pression dans la chambre 310 et de favoriser l'injection de résine dans l'ensemble du volume de la chambre. Le moule 300 comprend en outre des moyens de chauffage et/ou de refroidissement reliés à un 30 dispositif de commande (non représentés sur les figures 12A et 12B) afin de contrôler la solidification et le durcissement de la résine injectée dans la chambre 310. La fabrication du carter débute par l'injection, la compression ou le rotomoulage dans la chambre 310, via les conduits d'injection 311, d'une 35 composition 350 constituée d'une résine chargée ou renforcée avec des fibres comportant, conformément à l'invention, au moins une portion 3004 1 3 8 9 formant un crochet, les fibres pouvant notamment avoir une des formes décrites ci-avant. Une fois la chambre 310 remplie avec la composition 350, comme illustrée sur la figure 12B, on procède à la solidification de la résine. Dans 5 le cas d'une résine thermodurcissable, la solidification est réalisée par commande des moyens de chauffage du moule afin de durcir la résine par polymérisation. Dans le cas d'une résine thermoplastique, la solidification est obtenue par contrôle de la température de la chambre 310 jusqu'à vitrification pour des résines thermoplastiques amorphes et cristallisation 10 pour des résines thermoplastiques semi-cristallines. Après démoulage, on obtient, tel que représenté sur la figure 13, un carter 360 d'une soufflante de moteur d'avion formé d'une âme structurale 361 en forme de virole réalisée en matériau composite comprenant une matrice organique et un renfort fibreux formé par des 15 fibres comportant au moins une portion formant crochet conformément à la présente invention. Le procédé de la présente invention peut être mis en oeuvre pour réaliser des pièces en matériau composite de différentes formes et notamment des pièces destinées à être intégrées dans un turbopropulseur 20 d'un aéronef.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Composition pour former des pièces en matériau composite, ladite composition comprenant au moins une résine chargée avec des fibres, caractérisée en ce qu'au moins une partie des fibres (10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70) présentes dans la résine comporte une ou plusieurs portions (11, 12 ; 21, 22 ; 31 ; 41 ; 51, 52) formant chacune un crochet. 10
2. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins une partie des fibres (10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70) présentes dans la résine a une forme choisie parmi au moins une des formes suivantes : forme de S, forme de Z, forme de L, forme de J, forme de W, forme de U et forme de V. 15
3. 3. Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les fibres présentes dans la résine sont en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivant : verre, carbone, matériau végétal, métal et céramique. 20
4. 4. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la résine est choisie parmi au moins : une résine thermodurcissable, une résine thermoplastique et une résine élastomère. 25
5. 5. Procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite comprenant la mise en forme et le durcissement d'une composition comprenant au moins une résine chargée avec des fibres, caractérisé en ce qu'au moins une partie des fibres (10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70) présentes dans la résine comporte une ou plusieurs 30 portions (11, 12 ; 21, 22 ; 31 ; 41 ; 51, 52) formant chacune un crochet.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins une partie des fibres (10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70) présentes dans la résine a une forme choisie parmi au moins une des formes suivantes : 35 forme de S, forme de Z, forme de L, forme de J, forme de W, forme de U et forme de V. 3 004 1 3 8 11
7. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les fibres présentes dans la résine sont en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivant : verre, carbone, matériau végétal, métal et 5 céramique.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la résine est choisie parmi au moins : une résine thermodurcissable, une résine thermoplastique et une résine élastomère. 10
9. 9. Pièce comprenant une âme structurale en matériau composite constitué d'au moins une matrice organique et d'un renfort fibreux, caractérisée en qu'au moins une partie des fibres (10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70) du renfort fibreux comporte une ou plusieurs portions (11, 12 ; 15 21, 22 ; 31 ; 41 ; 51, 52) formant chacune un crochet.
10. 10. Pièce selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'au moins une partie des fibres (10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70) constituant le renfort fibreux a une forme choisie parmi au moins une des formes 20 suivantes : forme de S, forme de Z, forme de L, forme de forme de W, forme de U et forme de V.
11. 11. Pièce selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que les fibres constituant le renfort fibreux sont en un matériau choisi parmi au 25 moins un des matériaux suivant verre, carbone, matériau végétal, métal et céramique.
12. 12. Pièce selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que la résine est choisie parmi au moins : une résine 30 thermodurcissable, une résine thermoplastique et une résine élastomère.
13. 13. Turbopropulseur comprenant au moins une pièce de structure ou d'habillage ou de support selon l'une quelconque des revendications 9 à 12. 35
14. 14. Aéronef comprenant au moins un turbopropulseur selon la revendication 13.