FR3043938A1 - HEATING MATERIAL AND USE FOR THE REPAIR OF COMPOSITE STRUCTURES - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un matériau composite destiné à être chauffé comprenant une matrice polymère thermorésistante et conductrice de chaleur et du carbone dans une forme allotropique ayant une conductivité thermique d'au moins 1500 W/m.K, et les applications de ce matériau en particulier pour la réparation de pièces composites.The invention relates to a composite material for heating comprising a thermoresistant and heat conducting polymer matrix and carbon in an allotropic form having a thermal conductivity of at least 1500 W / mK, and the applications of this material in particular for the repair of composite parts.
Description
L'invention concerne un matériau destiné à être chauffé et ses utilisations en particulier dans la réparation in situ de pièces composites au moyen de colles ou résines nécessitant une polymérisation à chaud. Ce matériau est à base d'un polymère ou d'un mélange de polymères supportant des températures pouvant atteindre 250°C et est destiné à la fabrication de nappes flexibles pour le chauffage, par contact direct ou indirect, de tout support devant être chauffé. L'invention est ci-après décrite dans une application au domaine de l'aéronautique, mais bien entendu, elle n'y est pas restreinte, et son utilisation s'étend à tout secteur industriel dans lequel il doit être recouru à une telle opération de chauffage, en particulier lors du traitement de pièces lourdes qui ne peuvent pas être déplacées.The invention relates to a material to be heated and its uses in particular in the in situ repair of composite parts by means of glues or resins requiring hot polymerization. This material is based on a polymer or a mixture of polymers supporting temperatures up to 250 ° C and is intended for the manufacture of flexible webs for heating, by direct or indirect contact, any support to be heated. The invention is hereinafter described in an application in the field of aeronautics, but of course, it is not restricted to it, and its use extends to any industrial sector in which it must be resorted to such an operation. especially when treating heavy parts that can not be moved.
Les structures composites utilisées sur les aéronefs peuvent s'avérer fragiles dans certaines circonstances, notamment en cas de choc avec un objet qui peut provoquer une cassure ou une fissuration dans la zone d'impact. La réparation d'un tel dégât doit pouvoir être réalisée sur place et doit restituer l'ensemble des propriétés initiales, en particulier mécaniques, à la pièce corrigée.Composite structures used on aircraft may be fragile under certain circumstances, especially in the event of an impact with an object that may cause breakage or cracking in the impact zone. The repair of such damage must be carried out on site and must restore all initial properties, especially mechanical, the corrected part.
Cette réparation est classiquement effectuée par application sur la zone à traiter et polymérisation à chaud d'une colle ou d'une résine, la température de polymérisation, de l'ordre de 90°C à 220°C, étant atteinte au moyen d'une nappe chauffante déposée sur ladite zone. La nappe est en un matériau polymère résistant à des températures de polymérisation, tel que le silicone, elle est parcourue de fil résistif et est reliée à une source de courant. La chaleur de la nappe est transmise par conduction thermique à la zone à traiter.This repair is conventionally carried out by application to the zone to be treated and hot polymerization of an adhesive or a resin, the polymerization temperature, of the order of 90 ° C. to 220 ° C., being attained by means of a heating mat deposited on said zone. The web is made of a polymeric material resistant to polymerization temperatures, such as silicone, is traversed by resistive wire and is connected to a power source. The heat of the web is transmitted by thermal conduction to the area to be treated.
Les propriétés isolantes du silicone de la nappe, d'une part, et des matières constitutives de la pièce à réparer, d'autre part, ne favorisent pas les échanges thermiques, ce qui engendre une inhomogénéité dans la répartition de la chaleur et crée ainsi des régions inégalement traitées. Il est remédié à ce problème par l'implantation de sondes à la surface de la zone à traiter, ce qui est contraignant et non pleinement efficace. En outre, le mode de transmission de la chaleur, par conduction, rend difficile voire impossible le traitement de zones à cœur, l'énergie thermique n'atteignant pas les couches plus profondes de la structure composite. En augmentant la température de chauffage, on a même tendance à brûler la surface sans atteindre la température suffisante dans les couches profondes.The insulating properties of the silicone of the ply, on the one hand, and the constituent materials of the part to be repaired, on the other hand, do not promote heat exchange, which leads to inhomogeneity in the distribution of heat and thus creates regions unequally treated. This problem is solved by the implantation of probes on the surface of the zone to be treated, which is binding and not fully effective. In addition, the mode of heat transmission, by conduction, makes it difficult or impossible to treat core areas, the thermal energy does not reach the deeper layers of the composite structure. By increasing the heating temperature, there is even a tendency to burn the surface without reaching the sufficient temperature in the deep layers.
On est encore à la recherche de techniques plus performantes permettant d'atteindre rapidement et uniformément la température de polymérisation dans la zone à traiter, afin d'obtenir des réparations efficaces, en particulier dans des domaines techniques où l'approximation est inacceptable.We are still looking for more efficient techniques to achieve quickly and uniformly the polymerization temperature in the area to be treated, in order to obtain effective repairs, particularly in technical areas where the approximation is unacceptable.
Ainsi l'invention concerne un matériau composite destiné à être chauffé, comprenant une matrice polymère thermorésistante et conductrice de chaleur et du carbone, sous une forme allotropique possédant une conductivité thermique d'au moins 1500 W/m.K. De telles formes allotropiques typiques sont notamment le graphite, le graphène, les fullerènes et les nanotubes de carbone. Parmi celles-ci, certaines comme le graphène ont une conductivité thermique qui peut atteindre 7000 W/m.K. Les auteurs ont constaté que lorsqu'il est échauffé, ce matériau entraîne une répartition immédiate et homogène de la température, dans une zone à traiter, tout en émettant des infra-rouges longs permettant un transfert d'énergie par rayonnement, qui s'additionne au transfert d'énergie thermique.Thus, the invention relates to a composite material for heating, comprising a heat-resistant and heat-conducting polymeric matrix and carbon, in an allotropic form having a thermal conductivity of at least 1500 W / m.K. Such typical allotropic forms are in particular graphite, graphene, fullerenes and carbon nanotubes. Of these, some like graphene have a thermal conductivity that can reach 7000 W / m.K. The authors found that when it is heated, this material causes an immediate and homogeneous distribution of the temperature, in a zone to be treated, while emitting long infra-red ones allowing a transfer of energy by radiation, which adds up the transfer of thermal energy.
Le matériau de l'invention et ses applications, ainsi que les variantes préférentielles des objets de l'invention sont ci-après décrits plus en détails. Il doit être compris que, dans le cadre de la présente invention, les caractéristiques présentées peuvent être considérées seules ou être combinées.The material of the invention and its applications, as well as the preferred variants of the objects of the invention are hereinafter described in more detail. It should be understood that, in the context of the present invention, the features presented may be considered alone or combined.
Ledit carbone doit être réparti dans la matrice polymère de manière à assurer une continuité de transfert de l'énergie thermique et/ou électrique. Ainsi, il peut y être présent, sous forme discrète et/ou sous forme de couches et/ou sous forme de fil(s). Avantageusement, un matériau de l'invention comporte au moins une couche dédit carbone, celle-ci pouvant être noyée dans la matrice ou disposée sur l'une des faces supérieure et inférieure de la matrice. Par couche, on entend de préférence une feuille d'une épaisseur de 5 à 40 pm.Said carbon must be distributed in the polymer matrix so as to ensure a transfer continuity of the thermal energy and / or electrical. Thus, it can be present in discrete form and / or in the form of layers and / or in the form of yarn (s). Advantageously, a material of the invention comprises at least one carbon-depleted layer, which layer may be embedded in the matrix or disposed on one of the upper and lower faces of the matrix. By layer is preferably meant a sheet having a thickness of 5 to 40 μm.
Ledit carbone est avantageusement incorporé dans la matrice polymère, sous forme de feuilles ou alors sous forme de particules par vaporisation d'une solution colloïdale ou par injection par voie sèche. Ces techniques appartiennent aux connaissances générales de l'homme du métier, et toute autre technique d'introduction d'un solide dans une matrice polymère bien connue de l'homme du métier peut aussi être mise en oeuvre.Said carbon is advantageously incorporated into the polymer matrix, in the form of sheets or else in the form of particles by vaporization of a colloidal solution or by dry injection. These techniques belong to the general knowledge of those skilled in the art, and any other technique for introducing a solid into a polymer matrix well known to those skilled in the art can also be implemented.
La quantité de carbone incorporée dépend de la température à atteindre et des propriétés conductrices de la matrice. C'est un paramètre qui peut être déterminé par l'homme du métier sans difficulté.The amount of carbon incorporated depends on the temperature to be reached and the conductive properties of the matrix. It is a parameter that can be determined by the person skilled in the art without difficulty.
Comme dit précédemment, le ou les polymères constitutifs de la matrice sont thermostables, en résistant à des températures de préférence d'au moins 100°C, et mieux encore à des températures pouvant atteindre 250°C, voire plus. Ils doivent en outre conférer audit matériau une flexibilité suffisante pour que, compte tenu de ses applications, il puisse être facilement manipulé et déposé sur des zones de formes variées. Préférentiellement, la matrice polymère est en un ou plusieurs polymères élastomères, par exemple ceux choisis parmi les élastomères silicone, les fluoroélastomères, les polyimides.As stated above, the constituent polymer (s) of the matrix are heat-stable, withstand temperatures preferably of at least 100 ° C, and more preferably at temperatures up to 250 ° C or more. They must also provide said material with sufficient flexibility so that, in view of its applications, it can be easily handled and deposited on areas of various shapes. Preferably, the polymer matrix is in one or more elastomeric polymers, for example those chosen from silicone elastomers, fluoroelastomers and polyimides.
Selon un mode avantageux de l'invention, le matériau est essentiellement transparent au rayonnement infra-rouge. Il est ainsi préférentiellement de couleur grise ou noire, de manière à ce que le comportement dudit matériau s'approche de celui d'un corps gris ou noir, respectivement. Dans cette variante, le matériau absorbera la quasi-totalité des rayonnements qu'il recevra et pourra restituer sous forme d'énergie thermique en émettant des infrarouges lointains, contribuant à l'augmentation de la température dans la zone à traiter. L'invention concerne aussi les applications d'un matériau ci-dessus. Ainsi, elle a trait à une nappe chauffante fabriquée en tout ou partie, en un tel matériau et comprenant des moyens d'échauffement. Selon son application, elle est de formes et dimensions variables, ces dernières pouvant aller de 0,1 à 1,2 m de largeur, de 0,1 à 3 m de longueur, de 3 mm à 5 mm d'épaisseur. Dans les indications de l'invention, ses dimensions dépendent de celles de la zone à réparer; ainsi, son épaisseur dépendra de la profondeur de la réparation à réaliser. Selon une variante, l'une des deux faces de la nappe est en dit matériau, le reste de la nappe, dont l'autre de ces deux faces, est en dit polymère élastomère et dépourvu dédit carbone.According to an advantageous embodiment of the invention, the material is essentially transparent to infra-red radiation. It is thus preferably of gray or black color, so that the behavior of said material approaches that of a gray or black body, respectively. In this variant, the material will absorb almost all the radiation it will receive and can return in the form of thermal energy by emitting far infrared, contributing to the increase in temperature in the area to be treated. The invention also relates to the applications of a material above. Thus, it relates to a heating mat made wholly or partly of such a material and comprising heating means. Depending on its application, it has variable shapes and dimensions, the latter being 0.1 to 1.2 m wide, 0.1 to 3 m long, 3 mm to 5 mm thick. In the indications of the invention, its dimensions depend on those of the area to be repaired; thus, its thickness will depend on the depth of the repair to be made. According to one variant, one of the two faces of the ply is in said material, the remainder of the ply, the other of which of these two faces, is in said elastomeric polymer and devoid of carbon deduction.
Avantageusement, une nappe de l'invention comprend au moins deux couches, une couche proximale, c'est-à-dire celle qui sera en contact, direct ou indirect, avec la zone de la structure à réparer, en un matériau de l'invention, et une couche distale à l'opposé de ladite zone. Elle peut aussi comprendre au moins une couche centrale disposée entre les couches proximale et distale. Selon cette variante, la couche proximale est en un matériau de l'invention, et la couche distale et la ou les couches centrales sont en un polymère ou un mélange de polymères identiques à celui ou ceux de la couche proximale mais dépourvues dédit carbone. Selon une variante préférée, la couche distale contient en outre un matériau isolant, par exemple de l'aluminium qui pourra être présent sous forme de particules et/ou d'un film. Une telle configuration permet de concentrer le rayonnement dans la couche proximale pour favoriser les échanges avec la zone à traiter. Avantageusement, la couche proximale est en un polyimide ; ce polymère présentant une transmittance élevée au rayonnement infra-rouge, il assurera un bon transfert thermique par rayonnement dans les couches les plus profondes de la zone à réparer.Advantageously, a web of the invention comprises at least two layers, a proximal layer, that is to say one that will be in contact, direct or indirect, with the area of the structure to be repaired, in a material of the invention, and a distal layer opposite said area. It may also include at least one central layer disposed between the proximal and distal layers. According to this variant, the proximal layer is made of a material of the invention, and the distal layer and the central layer or layers are made of a polymer or a mixture of polymers identical to that or those of the proximal layer but devoid of carbon deduction. According to a preferred variant, the distal layer further contains an insulating material, for example aluminum which may be present in the form of particles and / or a film. Such a configuration makes it possible to concentrate the radiation in the proximal layer to promote exchanges with the zone to be treated. Advantageously, the proximal layer is made of a polyimide; this polymer having a high transmittance to infra-red radiation, it will ensure a good heat transfer by radiation in the deepest layers of the area to be repaired.
Les moyens d'échauffement d'une nappe de l'invention peuvent être choisis par tout moyen connu de l'homme du métier. A titre d'exemple, il s'agit d'une alimentation électrique permettant de chauffer le matériau de l'invention constituant la nappe, d'un fil résistif incorporé dans la nappe, de préférence dans la couche centrale si elle en contient une. Il peut aussi s'agir d'une source d'infrarouge. D'autres objets de l'invention résident dans les applications d'un matériau et d'une nappe tels que décrits précédemment. Ainsi, l'invention concerne l'utilisation d'une nappe ci-dessus pour la réparation d'une pièce composite, par polymérisation à chaud, et un procédé de réparation d'une pièce composite mettant en œuvre un tel matériau, en particulier une telle nappe. La pièce à réparer peut présenter tout type de structures, à titre d'exemples non limitatifs, ce peut être un composite en structure en nid d'abeille, un composite stratifié, un composite en structure sandwich. S'il s'agit d'un composite stratifié, les plis sont en nombre et de nature variables, par exemple en fibre de verre, fibre de carbone, en kevlar.The heating means of a web of the invention may be chosen by any means known to those skilled in the art. For example, it is a power supply for heating the material of the invention constituting the web, a resistive wire incorporated in the web, preferably in the central layer if it contains one. It can also be an infrared source. Other objects of the invention reside in the applications of a material and a web as described above. Thus, the invention relates to the use of a web above for the repair of a composite part, by hot polymerization, and a method of repairing a composite part using such a material, in particular a such a tablecloth. The part to be repaired may have any type of structure, as non-limiting examples, it may be a composite honeycomb structure, a composite laminate, a composite sandwich structure. If it is a laminated composite, the plies are in number and of variable nature, for example fiberglass, carbon fiber, Kevlar.
La nappe comporte une face proximale destinée à être appliquée sur ladite pièce composite et une surface distale opposée. Selon des variantes de l'invention permettant d'optimiser les performances d'une nappe ci-dessus, la face proximale de la nappe comprend ou consiste en au moins un matériau et/ou la face distale de la nappe consiste en au moins une couche comprenant ou consistant en un matériau thermo-réflecteur tel que l'aluminium.The web has a proximal face for application to said composite member and an opposing distal surface. According to variants of the invention for optimizing the performance of a web above, the proximal face of the web comprises or consists of at least one material and / or the distal face of the web consists of at least one layer comprising or consisting of a heat reflective material such as aluminum.
Toutes les techniques de réparation employées avec des nappes classiques peuvent être mises en œuvre dans un procédé de réparation de l'invention dès lors qu'une nappe de l'invention est utilisée.All the repair techniques employed with conventional webs can be implemented in a repair method of the invention as long as a web of the invention is used.
Les exemples ci-après illustrent la capacité d'une nappe selon l'invention à chauffer un support sur laquelle elle est déposée.The examples below illustrate the ability of a web according to the invention to heat a support on which it is deposited.
La figure 1 représente une configuration d'un procédé de réparation classique d'un panneau composite et la figure 2 représente une configuration d'un procédé de réparation selon l'invention du même panneau.Figure 1 shows a configuration of a conventional composite panel repair method and Figure 2 shows a configuration of a repair method according to the invention of the same panel.
Dans les exemples ci-dessous, le matériau du support en réparation est un panneau sandwich en nid d'abeille d'une épaisseur d'1/4 pouce comportant des plis internes et externes en fibre de verre et résine époxy.In the examples below, the substrate material being repaired is a 1/4 inch thick honeycomb sandwich panel having internal and external fiberglass and epoxy resin pleats.
Le matériau de l'invention est un polymère de type silicone armé par des fibres de verre. Il est chargé sur sa face proximale d'une fine couche continue de graphène, d'une épaisseur d'environ 5 à 40 microns, recouverte d'une fine couche dudit polymère d'une épaisseur d'environ 0,5 à 1 mm.The material of the invention is a silicone polymer reinforced by glass fibers. It is loaded on its proximal face with a thin continuous layer of graphene, a thickness of about 5 to 40 microns, covered with a thin layer of said polymer with a thickness of about 0.5 to 1 mm.
Exemple 1 : Efficacité d'un matériau de l'invention pour chauffer un support, dans un temps donnéExample 1 Efficiency of a Material of the Invention for Heating a Support, in a Given Time
On compare la température du support atteinte par dépôt d'une nappe sur ledit support, entre un matériau classique de type silicone armé par des fibres de verre et un matériau de l'invention pour un temps donné ; la température est mesurée à l'aide d'une sonde de type thermocouple apposée sur la surface du support exposée à la chauffe.The temperature of the support obtained by depositing a sheet on said support is compared between a conventional material of the glass fiber-reinforced silicone type and a material of the invention for a given time; the temperature is measured using a thermocouple type probe affixed to the surface of the support exposed to the heating.
Les résultats sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous.The results are shown in Table 1 below.
Tableau 1Table 1
On observe que dans le même temps, on atteint une température plus élevée d'environ 20°C avec une nappe de l'invention.It is observed that at the same time, a higher temperature of about 20 ° C is reached with a web of the invention.
Exemple 2 : Efficacité d'un matériau de l'invention pour chauffer un support, pour une température donnéeExample 2 Effectiveness of a Material of the Invention for Heating a Support for a Given Temperature
On compare le temps nécessaire pour chauffer un support à une température donnée, par dépôt d'une nappe sur ledit support, entre un matériau classique de type silicone armé par des fibres de verre et un matériau de l'invention ; la température est mesurée à l'aide d'une sonde de type thermocouple apposée sur la surface du support exposée à la chauffe.The time required for heating a support at a given temperature, by depositing a sheet on said support, between a conventional material of silicone type reinforced by glass fibers and a material of the invention is compared; the temperature is measured using a thermocouple type probe affixed to the surface of the support exposed to the heating.
Les résultats sont présentés dans le tableau 2 ci-dessous.The results are shown in Table 2 below.
Tableau 2Table 2
On observe que le temps nécessaire pour atteindre une température donnée est fortement réduit, de plus d'une minute, avec une nappe de l'invention.It is observed that the time required to reach a given temperature is greatly reduced, by more than one minute, with a web of the invention.
Exemple 3 : Efficacité d'un matériau de l'invention pour chauffer un support, par émission d'infra-rouges.Example 3 Effectiveness of a material of the invention for heating a support, by infrared emission.
On compare l'efficacité d'une nappe selon l'invention selon la configuration représentée à la Figure 2 et une nappe en un polymère de type silicone armé par des fibres de verre de l'art antérieur selon la configuration représentée à la Figure 1 sur la température atteinte à la surface du support mise en contact avec la nappe et sur la température atteinte à la surface opposée dudit support, lorsque l'énergie est apportée par une source de rayonnement infrarouge.The effectiveness of a web according to the invention in the configuration shown in FIG. 2 is compared with a sheet of a glass-fiber-reinforced silicone polymer of the prior art according to the configuration shown in FIG. the temperature reached on the surface of the support placed in contact with the sheet and on the temperature reached on the opposite surface of said support, when the energy is supplied by a source of infrared radiation.
Selon la figure 1, la nappe chauffante classique 1 ci-dessus est déposée sur une zone à réparer d'un panneau composite 2 présentant une structure en nid d'abeille. Un thermocouple 3 est monté de part et d'autre dudit panneau au niveau de la zone à réparer pour le contrôle de la température de la réparation. La nappe 1 est enveloppée dans un système 4 de mise sous vide, comprenant en direction de la nappe 1, un film de mise sous vide, un film intermédiaire et un film de protection de la nappe. Les moyens de chauffage de la nappe non représentés peuvent être tous moyens de chauffage électrique.According to Figure 1, the conventional heating web 1 above is deposited on a repair area of a composite panel 2 having a honeycomb structure. A thermocouple 3 is mounted on either side of said panel at the area to be repaired for controlling the temperature of the repair. The web 1 is wrapped in a vacuum system 4, comprising in the direction of the web 1, a vacuum film, an intermediate film and a protective film of the web. The not shown heating means of the web may be any electric heating means.
Selon la figure 2, la configuration est la même que celle de la figure 1, à la différence que la nappe appliquée sur le panneau est une nappe de l'invention 5 telle que décrite ci-dessus et qu'un émetteur de rayonnement infrarouge 6 est prévu au-dessus de la zone de réparation en remplacement des moyens de chauffage de la configuration de la figure 1.According to FIG. 2, the configuration is the same as that of FIG. 1, with the difference that the sheet applied to the panel is a web of the invention as described above and that an infrared radiation emitter 6 is provided above the repair area to replace the heating means of the configuration of Figure 1.
Une sonde de température de type thermocouple 3 est disposée de chaque côté du panneau. Le but de ces essais étant de démontrer l'influence de l'émission infra-rouge sur la face opposée de la réparation.A thermocouple type temperature probe 3 is disposed on each side of the panel. The purpose of these tests is to demonstrate the influence of the infra-red emission on the opposite side of the repair.
Les résultats sont présentés dans le tableau 3 ci-dessous.The results are shown in Table 3 below.
Tableau 3Table 3
Ces essais démontrent que la température de la surface proximale est élevée beaucoup plus rapidement (comme démontré dans l'exemple 1) mais aussi que le temps de montée en température de la face opposée est beaucoup plus court d'environ 35% indiquant une meilleure pénétration thermique au cœur du matériau réparé, sous tendant une meilleure répartition thermique dans l'épaisseur du panneau composite, donnée cruciale pour garantir la qualité d'une telle réparation.These tests demonstrate that the temperature of the proximal surface is elevated much more rapidly (as demonstrated in Example 1) but also that the temperature rise time of the opposite side is much shorter by about 35% indicating better penetration. the core of the repaired material, underpinning a better thermal distribution in the thickness of the composite panel, crucial to guarantee the quality of such a repair.
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