FR3030328A1 - Procede d'assemblage de materiaux composites - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'assemblage de pièces rigides comprenant les étapes suivantes : a) on fournit une première pièce ; b) on fournit une seconde pièce en matériau composite à matrice organique ; c) on fournit un matériau de liaison ; et, d) on applique ledit matériau de liaison sur l'une et/ou l'autre desdites première et seconde pièces, et on met en contact lesdites première et seconde pièces pour pouvoir les solidariser. A l'étape c) ledit matériau de liaison est un matériau métallique, et à l'étape d), on fournit de l'énergie thermique audit matériau métallique pour pouvoir solidariser lesdites première et seconde pièces par brasage.

Description

Procédé d'assemblage de matériaux composites La présente invention se rapporte à un procédé d'assemblage de pièces rigides incluant au moins un matériau composite.
Un domaine d'application envisagé est, notamment, mais non exclusivement, celui de l'assemblage des matériaux composites à matrice organique lesquels sont constitués d'une matrice faite d'un matériau polymère et d'un matériau de renfort noyé à l'intérieur du matériau polymère. Il est connu d'assembler des pièces en matériau composite, notamment par collage structural, où les contraintes qui s'exercent sur l'une des pièces se transmettent à l'autre à travers le collage. Ces assemblages par collage présentent néanmoins un certain nombre d'inconvénients. En effet, il n'est tout d'abord pas très aisé de maîtriser le procédé de mise en oeuvre, car il est nécessaire d'appliquer la colle à l'état liquide sur l'une des pièces sous la forme d'un ruban de colle, puis de presser le ruban de colle avec l'autre pièce sans nécessairement pouvoir contrôler précisément la diffusion de la colle ni l'épaisseur de la couche. L'automatisation d'une telle mise en oeuvre n'est pas non plus immédiate. Aussi, il est malaisé de contrôler la qualité du collage après que la colle a réagit, sans avoir à détruire l'assemblage. De plus, le vieillissement du collage n'est pas toujours maîtrisé, et dans certaines circonstances, sa qualité diminue au fil du temps et conduit à fragiliser la liaison entre les deux pièces. Au surplus, si l'assemblage par collage de deux pièces faites d'un même matériau composite peut se concevoir de façon relativement aisée, l'assemblage de deux pièces faites de deux matériaux composites différents et à fortiori, deux pièces dont une seule est réalisée en matériau composite, est bien plus difficile à mettre en oeuvre, et parfois est impossible. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est de fournir un procédé d'assemblage qui permette d'assembler de manière aisée au moins deux pièces dont l'une d'entre elles au moins est en matériau composite. En outre, le procédé doit également permettre d'obtenir un assemblage qui puisse résister dans le temps.
Dans ce but, la présente invention propose un procédé d'assemblage de pièces rigides comprenant les étapes suivantes : a) on fournit une première pièce ; b) on fournit une seconde pièce en matériau composite à matrice organique ; c) on fournit un matériau de liaison ; et, d) on applique ledit matériau de liaison sur l'une et/ou l'autre desdites première et seconde pièces, et on met en contact lesdites première et seconde pièces pour pouvoir les solidariser. Au surplus, à l'étape c) ledit matériau de liaison est un matériau métallique, et à l'étape d), on fournit de l'énergie thermique audit matériau métallique pour pouvoir solidariser lesdites première et seconde pièces par brasage. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en oeuvre d'un matériau métallique sur le matériau composite, de manière à pouvoir solidariser ensemble les deux surfaces métalliques respectivement des deux pièces à assembler, à chaud par brasage. La première pièce est, soit réalisée dans un alliage métallique, et auquel cas sa surface est métallique par nature, ou soit réalisée dans un matériau composite de la même façon que la seconde pièce, et est recouverte dudit un matériau métallique. Cette technique vise non pas à porter la température respectivement des métaux des deux pièces en contact au-delà de leur point de fusion pour les souder, mais à les porter à une température suffisante pour permettre la diffusion atomique entre les deux pièces. De la sorte, l'interface entre les deux pièces disparaît et elles ne forment plus qu'une seule pièce continue sans discontinuité. On observera qu'une discontinuité subsiste au niveau de l'interface entre le matériau composite et le matériau métallique et que la résistance de l'assemblage dépendra également de cette liaison, comme on l'expliquera ci-après. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, on fournit en outre un autre matériau métallique, et on applique ledit autre matériau métallique sur ledit un matériau métallique. Ledit un autre matériau métallique est un métal d'apport, dont la température de fusion est inférieure à celle dudit un matériau métallique, et qui vient mouiller les surfaces métalliques respectives des pièces à assembler de manière à induire le mécanisme d'inter-migration atomique ; inter-migration signifiant ici que les atomes des matériaux des deux pièces diffusent respectivement d'un matériau d'une pièce vers le matériau de l'autre pièce. Selon une première variante de mise en oeuvre de l'invention, on fournit de l'énergie thermique de manière à pouvoir porter ledit autre matériau métallique à haute température. En l'espèce, haute température signifie que l'on met par exemple en oeuvre un matériau à base d'argent et/ou de cuivre et que l'on porte le matériau à une température supérieure à 450 °C, par exemple supérieure à 600 °C. Le brasage est alors dit : « brasage dur ». À l'inverse, et selon une seconde variante de mise en oeuvre de l'invention, on fournit de l'énergie thermique de manière à pouvoir porter ledit autre matériau métallique à une température basse. Cette température est alors inférieure à 450 °C. Le matériau métallique d'apport est alors par exemple à base d'étain et/ou d'aluminium. Le brasage est alors dit : « brasage tendre ». Le choix dudit autre matériau métallique est conditionné par la tenue souhaitée de l'assemblage et les températures auxquelles il est soumis. Préférentiellement, ledit un autre matériau métallique est un alliage eutectique. De la sorte, lorsqu'il fond, l'alliage demeure en phase liquide à une température constante ce qui facilite l'opération de brasage.
Selon un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux, ladite première pièce est réalisée en métal, tandis qu'on applique ledit matériau métallique sur la seule seconde pièce. Ainsi, la première pièce en métal présente une surface qui par nature est métallique et on applique ledit matériau métallique sur la seconde pièce en matériau composite à matrice organique. Ensuite, on met en contact les surfaces métalliques des deux pièces pour pouvoir provoquer le brasage. Selon un autre mode de réalisation de l'invention avantageux, ladite première pièce est réalisée en matériau composite à matrice organique, tandis qu'on applique ledit matériau métallique sur lesdites première et seconde pièces. Ensuite, on peut alors réaliser le brasage des deux pièces en mettant en contact leur surface métallique et en leur fournissant de l'énergie thermique visant à induire la migration atomique des matériaux.
Selon une autre caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, ledit composite à matrice organique comprend des fibres de renfort noyées à l'intérieur de ladite matrice organique, et on traite localement ledit composite pour libérer lesdites fibres de renfort. Ainsi, localement, on retire la matrice organique pour faire apparaître les fibres de renfort et on applique ledit matériau métallique de liaison directement sur ces fibres de renfort dénudées. On assemble ensuite les deux pièces de manière à venir appliquer leurs fibres de renfort respectives recouvertes dudit matériau métallique, pour pouvoir ensuite assurer le brasage.
Préférentiellement, on fait circuler un courant électrique à travers lesdites fibres de renfort libres pour pouvoir fournir l'énergie thermique audit matériau métallique. Lorsque les fibres de renfort sont par exemple réalisées en carbone, on fait donc circuler à l'intérieur un courant électrique qui par effet Joule, provoque le chauffage de ces fibres. Partant, le matériau métallique qui les recouvre tend à fondre et à induire le brasage. De plus, avantageusement, et avant l'étape d), on traite localement ledit composite à matrice organique pour pouvoir augmenter l'énergie de surface de ladite seconde pièce. On traite ainsi la surface du composite pour augmenter son énergie de surface et favoriser de la sorte l'adhésion du matériau métallique. En effet, l'énergie de liaison entre la matrice organique et le matériau métallique doit au moins être égale à celle qui relie les deux matériaux métalliques, pour obtenir un assemblage performant. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on assemble deux plaques, l'une en acier, l'autre en matériau composite à matrice organique. Le matériau composite à matrice organique ici mis en oeuvre, présente des fibres de renfort en carbone, tandis que la matrice est faite d'un matériau polymère thermoplastique. La surface de la plaque en matériau composite est tout d'abord traitée de manière à augmenter son énergie de surface. Ainsi par exemple, la surface peut être traitée mécaniquement ou bien thermiquement par exemple au moyen d'un procédé de type laser ou bien plasma ou encore par projection thermique. Le bombardement ionique permet également d'augmenter l'énergie de surface du composite. Ensuite, on applique sur la surface ainsi traitée une couche d'un matériau métallique de liaison. Par exemple, on dépose une couche de nickel par voie chimique. Grâce à l'énergie de surface obtenue par le traitement de surface, on obtient une bonne énergie de liaison de la couche de nickel. D'autres procédés, permettent de revêtir la surface du composite traité, de cuivre, d'argent ou bien d'aluminium. On citera notamment les procédés CVD, acronyme de l'anglais « Chemical Vapor Deposition » ou bien PVD acronyme de « Physical Vapor Deposition ».
Ensuite, on vient appliquer une bordure de la plaque en acier contre la surface ainsi métallisée de la pièce en matériau composite. On maintient à force les deux pièces en appui l'une contre l'autre puis on vient non seulement chauffer les zones des pièces en contact, mais aussi porter un métal d'apport, soit un alliage métallique, entre les zones en contact. On solidarise ainsi par brasage les deux plaques. On veillera à ce que le point de fusion de l'alliage métallique soit inférieur à la température de fusion ou de destruction de la matrice organique. De la sorte, le métal d'apport en fusion va venir mouiller la surface de la plaque en acier et la surface métallisée de la pièce en matériau composite au niveau des zones de contact et induire, l'inter-migration atomique. De la sorte, on solidarise les deux surfaces dans leurs zones de contact. Le métal d'apport, est un alliage métallique eutectique, par exemple EtainIndium ou encore Etain-Gallium. Quant à l'énergie thermique nécessaire, elle est apportée aux surfaces en contact pour provoquer la fusion du métal d'apport que l'on vient appliquer sur les surfaces. Le chauffage du substrat pourra alors être réalisé, selon une première variante d'exécution, en faisant circuler un courant électrique directement à travers les fibres de carbone du matériau composite au niveau de la zone de contact. Selon une autre variante, on provoque le chauffage de la plaque en acier par induction au niveau de la zone de contact. D'autres moyens d'apporter de l'énergie thermique peuvent être mis en oeuvre ; on citera par exemple le chauffage par infrarouge, ou par micro-ondes.
Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, on assemble deux plaques en matériau composite à matrice organique. Les deux plaques sont alors traitées de la même façon de manière à augmenter leur énergie de surface et elles sont également revêtues chacune d'une couche d'un matériau métallique de liaison selon l'un ou l'autre des procédés mentionnés ci-dessus. Les deux plaques sont alors assemblées couche de matériau métallique contre couche de matériau métallique par brasage de la même façon que dans le premier mode de réalisation ci-dessus. Selon ces deux modes de réalisation, on fait appel à un métal d'apport, plus précisément à un alliage eutectique, dont la température de fusion demeure stationnaire durant l'opération de brasage. Toutefois, il est également possible d'obtenir la migration atomique des matériaux métalliques des deux couches, uniquement par chauffage des deux couches en appui l'une contre l'autre.
On observera que le brasage usuellement réservé à la solidarisation de pièces métalliques entre elles, peut également être mis en oeuvre avec des matériaux composites. C'est là l'objet de l'invention. Aussi, il convient d'élaborer des matériaux composites suffisamment résistants à l'énergie thermique et au surplus, qui puisse permettre l'adhérence d'une couche métallique.
Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, on vient appliquer le matériau métallique de liaison sur les fibres de carbone du matériau composite. Pour ce faire, il convient tout d'abord de procéder à la mise à nu des fibres de carbone en surface de la pièce dans la zone de liaison. On vient alors décaper la matrice en matériau polymère au moyen d'un procédé thermique ou mécanique. On réalise ce décapage par exemple au moyen d'un faisceau laser guidé dans un jet d'eau. Grâce à ces techniques, on obtient un surfaçage des fibres de carbone mises à nu ce qui permet d'augmenter leur surface de contact. Ensuite, on recouvre la surface libre des fibres de carbone d'une couche métallique. Un dépôt électrolytique est particulièrement indiqué car les fibres de carbone sont conductrices du courant électrique. On vient déposer par exemple une couche de nickel, de cuivre, d'argent ou bien encore d'aluminium. Les autres procédés de dépôt mentionnés ci-dessus sont également applicables.
Deux pièces en matériau composite à matrice organique ainsi préparées peuvent alors être assemblées par brasage au niveau de leurs zones de contact couche métallique contre couche métallique. Le brasage pourra être réalisé à basse température, plus précisément à une température inférieure à 450°C avec un alliage eutectique dont le point de fusion est précisément inférieur à cette température. Cet alliage métallique eutectique est par exemple constitué d'Etain-Indium ou encore d'Etain-Gallium. L'apport d'énergie thermique peut avantageusement, là également, être réalisé par effet Joule en faisant circuler un courant électrique dans les fibres de carbone. Ainsi, l'alliage en fusion vient mouiller la surface métallisée des fibres de carbone et partant, induit la migration atomique des matériaux métalliques entre les deux couches des pièces appliquées l'une contre l'autre. Selon ce troisième mode de réalisation, et conformément à une variante, l'une des pièces est en acier et on l'assemble avec la pièce en matériau composite mise en oeuvre comme ci-dessus. On applique ainsi les fibres de carbone mises à nu du matériau composite et revêtues d'une couche métallique, contre la surface métallique de la pièce en acier. Ensuite, on réalise l'opération de brasage comme indiqué ci-dessus au moyen d'un alliage d'apport et en provoquant, soit le chauffage de la pièce métallique soit le chauffage des fibres de carbone par effet Joule. Selon un quatrième mode de réalisation, on vient, en une seule étape, appliquer directement le métal d'apport sur la surface de matériau composite à matrice organique et réaliser simultanément le brasage. L'alliage métallique eutectique utilisé est par exemple constitué d'Etain-Indium ou encore d'Etain- Gallium, car il fond à basse température, inférieure à 450 °C. Ainsi, durant une seule et même opération on recouvre les deux surfaces du matériau composite destinées à être solidarisées de l'alliage métallique eutectique et on réalise le brasage. Selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, on assemble deux pièces en composite à matrice organique renforcées de fibres de carbone par brasage des fibres nues ajustées bout-à-bout. Pour ce faire, il est nécessaire que les fibres de carbone des bordures des deux pièces à assemblées n'aient pas été noyées dans la matrice organique. On procède alors à un dépôt d'un matériau métallique sur les fibres de carbone des deux-pièces par l'un des procédés ci-dessus indiqués. On applique par exemple une couche de cuivre. Le dépôt pourra être avantageusement réalisé dans un bain électrolytique et en faisant circuler du courant électrique à l'intérieur des fibres de carbone. Ensuite, on réalise le brasage bout-à-bout des fibres de carbone métallisé au moyen d'un alliage eutectique.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage de pièces rigides comprenant les étapes suivantes : a) on fournit une première pièce ; b) on fournit une seconde pièce en matériau composite à matrice organique ; c) on fournit un matériau de liaison ; et, d) on applique ledit matériau de liaison sur l'une et/ou l'autre desdites première et seconde pièces, et on met en contact lesdites première et seconde pièces pour pouvoir les solidariser ; caractérisé en ce qu'à l'étape c) ledit matériau de liaison est un matériau métallique, et en ce qu'à l'étape d), on fournit de l'énergie thermique audit matériau métallique pour pouvoir solidariser lesdites première et seconde pièces par brasage.
  2. 2. Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fournit en outre un autre matériau métallique, et en ce qu'on applique ledit autre matériau métallique sur ledit un matériau métallique.
  3. 3. Procédé d'assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fournit de l'énergie thermique à l'étape d) de manière à pouvoir porter ledit autre matériau métallique à haute température.
  4. 4. Procédé d'assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fournit de l'énergie thermique à l'étape d) de manière à pouvoir porter ledit autre matériau métallique à basse température.
  5. 5. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit un autre matériau métallique est un alliage eutectique.
  6. 6. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite première pièce est réalisée en métal, tandis qu'on applique ledit matériau métallique sur la seule seconde pièce.
  7. 7. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite première pièce est réalisée en matériaucomposite à matrice organique, tandis qu'on applique ledit matériau métallique sur lesdites première et seconde pièces.
  8. 8. Procédé d'assemblage selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit composite à matrice organique comprend des fibres de renfort noyées à l'intérieur de ladite matrice organique, et en ce qu'on traite localement ledit composite pour libérer lesdites fibres de renfort.
  9. 9. Procédé d'assemblage selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on fait circuler un courant électrique à travers lesdites fibres de renfort libres pour pouvoir fournir l'énergie thermique audit matériau métallique
  10. 10. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'avant l'étape d), on traite localement ledit composite à matrice organique pour pouvoir augmenter l'énergie de surface de ladite seconde pièce.15
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