FR3114990A1 - Texture fibreuse comprenant des plis unidirectionnels avec des mèches espacées - Google Patents

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Abstract

Texture fibreuse comprenant des plis unidirectionnels avec des mèches espacées Une texture fibreuse comprend un empilement d’au moins des première et deuxième plis unidirectionnels (10, 20). Le premier pli (10) comprend une première pluralité de mèches (11) et une première pluralité de bandes souples de liant fugitif (12) alignées suivant une première direction (DA11), les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches. Le deuxième pli (20) comprend une deuxième pluralité de mèches (21) et une deuxième pluralité de bandes souples de liant fugitif (22) alignées suivant une deuxième direction (DA21) différente de la première direction (DA11), les mèches de la deuxième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches. Figure pour l’abrégé : Fig. 2.

Description

Texture fibreuse comprenant des plis unidirectionnels avec des mèches espacées
La présente invention concerne la fabrication des pièces en matériau composite obtenues par injection d’une phase liquide chargée ou non dans un renfort fibreux.
L’invention concerne notamment la fabrication des matériaux composites dits « thermostructuraux », à savoir des matériaux ayant de bonnes propriétés mécaniques et la capacité à conserver ces propriétés à température élevée, tels que les matériaux composites carbone/carbone (C/C) formés d'un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbone, les matériaux composites à matrice céramique (CMC) formés d'un renfort en fibres réfractaires (carbone ou céramique) densifiés par une matrice au moins partiellement céramique et les matériaux composites de type oxyde/oxyde formés d'un renfort en fibres oxyde (alumine) densifiés par une matrice au moins partiellement oxyde. L’invention concerne également la fabrication des matériaux composites à matrice organique (CMO), c’est-à-dire comportant un renfort fibreux densifié par une matrice de nature organique.
Un procédé usuel d'obtention de pièces en matériau composite est le procédé par voie liquide. Le procédé par voie liquide consiste à réaliser une préforme fibreuse ayant sensiblement la forme d'une pièce à réaliser, et destinée à constituer le renfort du matériau composite, et à imprégner cette préforme par une composition liquide contenant un précurseur du matériau de la matrice. Le précurseur se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant ou d’une charge en suspension dans une barbotine. La transformation du précurseur en matrice est réalisée par traitement thermique (polymérisation, frittage, etc). Plusieurs cycles d'imprégnation successifs peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité.
Concernant les matériaux C/C, le renfort en fibres de carbone peut être imprégné avec des précurseurs liquides de carbone comme des résines à taux de coke relativement élevé, telles que des résines phénoliques. Concernant les matériaux composites à matrice organique (CMO), on utilise une résine thermoplastique ou thermodurcissable pour imprégner la préforme fibreuse.
Concernant les matériaux CMC ou oxyde/oxyde, les pièces sont généralement élaborées avec la technologie d’injection filtrée de suspensions aqueuses chargées en particules céramique ou d’oxyde.
Pour l’injection, le renfort fibreux est constitué d’une texture fibreuse obtenue par tissage bidimensionnel (2D) ou tridimensionnel (3D), tressage, placement de fibres, enroulement filamentaire, nappage, aiguilletage.
Dans le cas d’une texture fibreuse tissée 2D ou 3D, celle-ci présente un réseau de canaux formé notamment en raison de la présence d’un embuvage. Ces canaux permettent à la composition liquide (chargée ou non) précurseur de matrice de circuler dans l’ensemble de la texture.
Cependant, dans le cas d’une texture fibreuse formée de plis unidirectionnels obtenus généralement par la technique de placement automatique de fibres ou mèches (AFP), il n’y a pas de canal de circulation. Cela réduit considérablement la perméabilité des renforts à densifier, ce qui complique, voire empêche, l’infiltration du renfort avec une composition liquide. Dans le cas de la réalisation d’une pièce en matériau CMC ou oxyde/oxyde, cette faible perméabilité peut empêcher la diffusion inter-mèches et/ou intra-mèches des particules céramique.
Or, l’imprégnation de la préforme fibreuse par une composition liquide précurseur du matériau de la matrice est une étape importante en ce qu’elle conditionne ensuite l’homogénéité et le taux de matrice présent dans le matériau résultant et, par conséquent, les propriétés mécaniques du matériau. En effet, le taux de macroporosité présent dans le matériau final influence directement les propriétés mécaniques du matériau.
Afin d’augmenter la perméabilité d’une structure fibreuse constituée de plis unidirectionnels superposés, une solution consiste à réduire la largeur des mèches déposées en contrôlant leur calibrage. Cela permet de créer des espaces entre les mèches des plis unidirectionnels de la texture fibreuse et de former ainsi des canaux de circulation facilitant l’infiltration d’une composition liquide chargée ou non dans la texture. La illustre une texture fibreuse 70 comprenant un premier pli unidirectionnel 80 composé d’une pluralité de mèches 81 dont le calibrage a été modifié afin de réduire leur largeur ou diamètre créant ainsi des espaces E81 entre les mèches 81 destiné à former des canaux de circulation. La texture fibreuse 70 comprend en outre un deuxième pli unidirectionnel 90 formé par drapage de mèches 91 sur le premier pli unidirectionnel 80. Lors du drapage des mèches 91 sur le pli 80, les mèches 91 vont s’enfoncer dans les espaces E81 présents entre les mèches 81 créant ainsi un embuvage des mèches 91. Les canaux formés préalablement dans le premier pli 80 sont alors partiellement comblés par les mèches 91 et ne facilitent plus l’infiltration d’une composition liquide au sein de la préforme. Ce problème se pose pour tous les autres plis unidirectionnels qui sont formés sur la texture. Or, il existe un besoin pour réaliser des textures fibreuses à partir d’un empilement de plis unidirectionnels qui présentent une bonne perméabilité.
La présente invention a donc pour but principal de proposer une texture fibreuse comprenant des plis unidirectionnels qui présentent une perméabilité adaptée pour l’injection d’une composition liquide chargée ou non au sein de la texture.
Conformément à l’invention, ce but est atteint grâce à une texture fibreuse comprenant un empilement d’au moins des première et deuxième plis unidirectionnels, caractérisée en ce que le premier pli unidirectionnel comprend une première pluralité de mèches et une première pluralité de bandes souples de liant fugitif alignées suivant une première direction, les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches, et en ce que le deuxième pli unidirectionnel comprend une deuxième pluralité de mèches et une deuxième pluralité de bandes souples de liant fugitif alignées suivant une deuxième direction différente de la première direction, les mèches de la deuxième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches.
Comme dans chaque pli unidirectionnel, des bandes souples en liant fugitif sont intercalées entre chaque mèche, il n’y a pas d’espaces libres entre les mèches. Les mèches déposées sur un pli unidirectionnel ne s’enfoncent donc pas dans des espaces libres présents entre les mèches du pli sous-jacent comme c’est le cas sans la présence des bandes souples ( ). En outre, les bandes souples peuvent être facilement éliminées ultérieurement, par exemple après la mise en moule de la texture, afin d’ouvrir des canaux de circulation et faciliter ainsi l’infiltration d’une composition liquide chargée ou non au sein de la texture.
Selon une caractéristique de la texture de l’invention, les première et deuxième directions sont perpendiculaires entre elles. La première direction peut être parallèle à une direction de référence de la texture fibreuse tandis que la deuxième direction est perpendiculaire à la direction de référence. La première direction peut également former un angle de +45° avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que la deuxième direction forme un angle de -45° avec la direction de référence.
Selon une autre caractéristique de la texture de l’invention, la première direction forme un angle α avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que la deuxième direction forme un angle β avec la direction de référence. . Les angles α et β peuvent être identiques ou différents.
Selon une autre caractéristique de la texture de l’invention, les bandes souples de liant fugitif des première et deuxième pluralités de bandes souples de liant fugitif sont en un matériau soluble dans l’eau.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une texture fibreuse comprenant au moins :
- la réalisation d’un premier pli unidirectionnel par drapage d’une première pluralité de mèches et d’une première pluralité de bandes souples de liant fugitif alignées suivant une première direction, les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches,
- la réalisation d’un deuxième pli unidirectionnel par drapage sur le premier pli d’une deuxième pluralité de mèches et d’une deuxième pluralité de bandes souples de liant fugitif alignées suivant une deuxième direction différente de la première direction, les mèches de la deuxième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches.
Selon une caractéristique du procédé de l’invention, les première et deuxième directions sont perpendiculaires entre elles. La première direction peut être parallèle à une direction de référence de la texture fibreuse tandis que la deuxième direction est perpendiculaire à la direction de référence. La première direction peut également former un angle de +45° avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que la deuxième direction forme un angle de -45° avec la direction de référence.
Selon une autre caractéristique du procédé de l’invention, la première direction forme un angle α avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que la deuxième direction forme un angle β avec la direction de référence. Les angles α et β peuvent être identiques ou différents.
Selon une autre caractéristique du procédé de l’invention, les bandes souples de liant fugitif des première et deuxième pluralités de bandes souples de liant fugitif sont en un matériau soluble dans l’eau.
L’invention concerne encore un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
- formation d’une texture fibreuse à partir de fibres céramiques réfractaires,
- placement de la texture fibreuse dans un moule comportant dans sa partie inférieure une pièce en matériau poreux sur laquelle repose une première face de ladite texture,
- fermeture du moule avec un contre-moule, un couvercle ou une membrane souple placé en regard d’une deuxième face de la texture fibreuse,
- élimination des bandes souples en liant fugitif présentes dans la texture fibreuse,
- injection sous pression d’un liquide contenant une poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire dans la texture fibreuse,
- drainage par la pièce en matériau poreux du liquide ayant traversé la texture fibreuse et rétention de la poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire à l'intérieur de ladite texture par ladite pièce en matériau poreux de manière à obtenir une préforme fibreuse chargée de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire, le liquide étant évacué par au moins un évent présent sur le fond du moule,
- séchage de la préforme fibreuse,
- démoulage de la préforme fibreuse, et
- traitement thermique des particules céramiques réfractaires ou des particules d’un précurseur de céramique réfractaire présentes dans la préforme fibreuse afin de former une matrice céramique réfractaire dans ladite préforme.
La est une vue schématique en perspective montrant la formation d’un premier pli unidirectionnel d’une texture fibreuse conformément à un mode de réalisation de l’invention,
La est une vue schématique en perspective montrant la formation d’un deuxième pli unidirectionnel sur le premier pli de la conformément à un mode de réalisation de l’invention,
La est une vue schématique en perspective montrant la formation d’un troisième pli unidirectionnel sur le deuxième pli de la conformément à un mode de réalisation de l’invention,
La est une vue schématique en perspective montrant la formation d’un quatrième pli unidirectionnel sur le troisième pli de la pour l’obtention d’une texture fibreuse conformément à un mode de réalisation de l’invention,
La est une vue en coupe de la texture fibreuse de la .
La est une vue en coupe de la texture fibreuse de la après élimination des bandes souples en liant fugitif,
La est une vue schématique montrant une tête d’un dispositif de placement ou drapage automatique de mèches,
La est une vue schématique en perspective montrant la formation d’un cinquième pli unidirectionnel sur le quatrième pli de la texture fibreuse la conformément à un autre mode de réalisation de l’invention,
La est une vue schématique en perspective éclatée d’un outillage d’injection utilisé pour imprégner la texture fibreuse de la de conformément à un mode de réalisation de l’invention,
La est une vue schématique en coupe montrant l’outillage de la fermé avec une texture fibreuse positionnée dans celui-ci,
La est une vue schématique en coupe montrant les étapes d’imprégnation d’une texture fibreuse avec une barbotine chargée dans l’outillage de la .
La est une vue en coupe d’une texture fibreuse dont les mèches d’un pli unidirectionnel présente un embuvage.
L’invention s’applique à la réalisation de textures fibreuses comprenant des plis unidirectionnels, ces textures étant destinées à être imprégnées par injection d’une composition liquide chargée ou non pour la fabrication de pièces en matériau composite.
En référence aux figures 1 à 4, on décrit la réalisation d’une texture fibreuse conformément à un mode de réalisation de l’invention. Sur la , un premier pli unidirectionnel 10 est formé par drapage d’une première pluralité de mèches 11 et d’une première pluralité de bandes souples de liant fugitifs 12 sur un support 1 d’un outillage de drapage. Par « pli unidirectionnel », on entend ici des « demi-plis unidirectionnels » dans lesquels les mèches sont espacées les unes des autres à la différence d’un pli unidirectionnel dans lequel toutes les mèches sont juxtaposées les unes contre les autres. Les mèches 11 sont drapées (i.e. déposées) de manière à être alignées suivant une première direction DA11. Les mèches 11 sont espacées les unes des autres d’une distance déterminée D11 suivant une direction perpendiculaire à la première direction DA11. Cette distance est ici ajustée en contrôlant le calibrage des mèches de manière à réduire leur largeur.
Dans l’exemple décrit ici, la réalisation de la texture fibreuse est réalisée en utilisant le procédé de placement de fibres automatique AFP (pour « Automated Fiber Placement). Le procédé AFP consiste à juxtaposer à l’aide d’une tête de dépose plusieurs mèches, torons, ou rubans de fibres et de bandes de liant souples de liant fugitif. Chaque mèche ou bande souple est appliquée et découpée indépendamment des autres, ce qui permet un placement précis de chacune des mèches ou bande sous toute géométrie de support.
La illustre schématiquement la structure d’une tête de dépose 200 d’un dispositif de mise en œuvre d’une technique AFP. La structure de la tête de dépose 200 illustrée est connue en soi. Le premier pli unidirectionnel 10 est formé sur la surface du support 1. La tête de dépose 200 est, pour cela, alimentée soit par une bande fibreuse 111 pour la dépose des mèches 11, soit par une bande de liant fugitif 112 pour la dépose des bandes souples 12 afin de réaliser le pli unidirectionnel 10.
La bande fibreuse 111 ou la bande de liant fugitif 112 est acheminée par un élément de convoyage 205 jusqu’à un élément d’application de la pression 207 situé du côté de la surface du support 1. L’élément de convoyage 205 est ici sous la forme d’un couple de rouleaux contrarotatifs 205a et 205b entre lesquels la bande 111 ou 112 est présente. L’élément de convoyage 205 permet de faire avancer la bande 111 ou 112 jusqu’à l’élément d’application de la pression 107 selon la direction matérialisée par la flèche F1.
L’élément d’application de la pression 207 applique une pression sur les bandes 111 et 112 afin de réaliser leur dépôt sur le support 1. L’élément d’application de la pression 107 est ici sous la forme d’un rouleau. La tête de dépose 207 comporte en outre un élément chauffant 209 situé au voisinage de l’élément d’application de la pression 207. Cet élément chauffant 209 permet de chauffer les bandes 111 et 112 afin de coller les mèches 11 avec les bandes souples de liant fugitif 12 lors de leur dépôt.
Lors du dépôt, la tête de dépose 1 est mobile afin d’appliquer les bandes 111 et 112 suivant la direction DA11. Lorsque la longueur souhaitée pour une mèche 11 ou une bande souple 12 est atteinte, l’élément de découpe 110 de la tête de dépose 200 coupe la bande concernée. On procède ainsi pour toutes les mèches 11 et les bandes souples 12 constituant le premier pli unidirectionnel 10.
Les fibres utilisées pour constituer la bande fibreuse 111 et, par conséquent, les mèches 11, peuvent être notamment des fibres de verre, de carbone, de carbure de silicium, ou d’oxyde, ou encore un mélange de ces fibres.
Le matériau utilisé pour constituer la bande liant fugitif 112 et, par conséquent, les bandes souples de liant fugitif 12, peut être notamment un matériau polymère thermoplastique hydrosoluble. Ce caractère hydrosoluble permet au polymère d’être dissous par mise en contact avec un milieu aqueux de température supérieure ou égale à 20°C, voire à 50°C. Le polymère thermoplastique peut toutefois ne pas être hydrosoluble, auquel cas un solvant organique est utilisé pour réaliser l’étape d’élimination après formation de la texture fibreuse.
Les mèches utilisées pour réaliser les plis unidirectionnels de la texture fibreuse peuvent être également revêtues d’un liant fugitif, par exemple un matériau tackifiant apte à être éliminé par rinçage à l’eau de même nature ou non que le matériau des bandes souples.
L’élément chauffant 109 peut par exemple imposer à la bande de liant fugitif 112 présente sur l’élément d’application de la pression 107 une température supérieure ou égale au point de ramollissement du matériau thermoplastique de manière à conférer le pouvoir d’adhésion souhaité entre les bandes souples 12 et les mèches 11.
Comme illustré sur la , on obtient un premier pli unidirectionnel 10 comprenant des mèches 11 espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif 12 intercalées entre les mèches 11.
La réalisation de la texture fibreuse est ensuite poursuivie par dépôt de plusieurs autres plis unidirectionnels de la même manière que décrite ci-avant.
Plus précisément, sur la , un deuxième pli unidirectionnel 20 est formé par drapage d’une deuxième pluralité de mèches 21 et d’une deuxième pluralité de bandes souples de liant fugitif 22 sur le premier pli unidirectionnel 10. Les mèches 21 et les bandes souples 22 sont drapées de manière à être alignées suivant une deuxième direction DA21 différente de la première direction d’alignement DA11. Dans l’exemple décrit ici, la deuxième direction d’alignement DA21 est perpendiculaire à la première direction d’alignement DA11. Les des mèches 21 sont espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif 22 intercalées entre les mèches 21.
Sur la , un troisième pli unidirectionnel 30 est formé par drapage d’une troisième pluralité de mèches 31 et d’une troisième pluralité de bandes souples de liant fugitif 32 sur le deuxième pli unidirectionnel 20. Les mèches 31 et les bandes souples 32 sont drapées de manière à être alignées suivant une troisième direction DA31 différente de la deuxième direction d’alignement DA21. Dans l’exemple décrit ici, la troisième direction d’alignement DA31 est perpendiculaire à la deuxième direction d’alignement DA21. Les des mèches 31 sont espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif 32 intercalées entre les mèches 31 suivant une direction perpendiculaire à la troisième direction DA31.
Sur la , un quatrième pli unidirectionnel 40 est formé par drapage d’une quatrième pluralité de mèches 41 et d’une quatrième pluralité de bandes souples de liant fugitif 42 sur le troisième pli unidirectionnel 30. Les mèches 41 et les bandes souples sont drapées de manière à être alignées suivant une quatrième direction DA41 différente de la troisième direction d’alignement DA31. Dans l’exemple décrit ici, la quatrième direction d’alignement DA41 est perpendiculaire à la troisième direction d’alignement DA31. Les des mèches 41 sont espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif 42 intercalées entre les mèches 4 suivant une direction perpendiculaire à la quatrième direction DA41.
Dans l’exemple décrit ici, on utilise la même nature de fibres pour les mèches 11, 21, 31 et 41 et le même polymère thermoplastique pour les bandes souples de liant fugitif 12, 22, 32 et 42.
On obtient alors une texture fibreuse 50 non tissée comprenant un empilement quatre plis unidirectionnels 10, 20, 30 et 40.
Comme dans chaque pli unidirectionnel, des bandes souples de liant fugitif sont intercalées entre les mèches, il n’y a pas d’espaces libres entre les mèches. Les mèches déposées sur un pli unidirectionnel ne s’enfoncent donc pas dans des espaces libres présents entre les mèches du pli sous-jacent comme c’est le cas sans la présence des bandes souples ( ). La montre que grâce à la présence des bandes souples de liant fugitif 12 et 32 intercalées respectivement entre les mèches 11 et 31 des plis unidirectionnels 10 et 30, les mèches 21 et 41 respectivement des plis unidirectionnels 20 et 40 ne s’enfoncent pas et ne créent pas d’embuvage dans la texture fibreuse 50. Il en est de même pour les mèches 21 du pli unidirectionnel 20 grâce à la présence des bandes souples de liant fugitif 12 intercalées entre les mèches 11 du pli unidirectionnel 10.
La montre la texture fibreuse 50 après élimination des bandes souples de liant fugitif, par exemple après rinçage à l’eau de la texture lorsque les bandes souples sont en matériau hydrosoluble. L’élimination des bandes souples permet d’ouvrir des espaces entre les mèches de tous les plis unidirectionnels de la texture comme les espaces E11 et E31 présents respectivement entre les mèches 11 et 31 des plis 10 et 30 sur la . Il en est de même pour les espaces présents entre les mèches 21 et 41 des plis 20 et 40 (non représentés sur la ). Ces espaces constituent des canaux ou chemins de circulation facilitant l’infiltration d’une composition liquide chargée ou non au sein de la texture fibreuse alors que celle-ci est constituée d’une pluralité de plis unidirectionnels.
La direction d’alignement des mèches d’un pli unidirectionnel (pli N) est différente de la direction d’alignement des mèches du pli unidirectionnel sous-jacent (pli N-1). Les directions d’alignement des mèches de deux plis unidirectionnels adjacents peuvent être perpendiculaires l’une par rapport à l’autre ou non perpendiculaires, c’est-à-dire que les deux directions d’alignement forment un angle entre elles différent de 90°.
Dans l’exemple décrit ici, les directions d’alignement DA11et DA31des premier et troisième plis unidirectionnels 10 et 30 (plis N et N+2) sont parallèles à une direction de référence DREFtandis que les directions d’alignement DA21et DA41des deuxième et troisième plis unidirectionnels 20 et 40 (plis N+1 et N+3) sont perpendiculaires à la direction de référence DREF. En d’autres termes, la texture fibreuse 50 est un drapage de quatre plis unidirectionnels en 0°/90°/0°/90°.
Selon une variante de réalisation, la texture fibreuse peut comporter un empilement de plis unidirectionnels dans laquelle les directions d’alignement des mèches des plis N et N+2 sont perpendiculaires avec les directions d’alignements des mèches des plis N+1 et N+3, les directions d’alignement des mèches des plis N et N+2 formant un angle de +45° avec une direction de référence tandis que les directions d’alignement des mèches des plis N+1 et N+3 forment un angle de -45° avec la direction de référence ou inversement. En d’autres termes, dans ce cas, la texture fibreuse est un drapage d’au moins quatre plis unidirectionnels en +45°/-45°/+45°/-45° ou -45°/+45°/-45°/+45°.
La illustre la formation d’un cinquième pli unidirectionnel 60 sur la texture fibreuse 50 formée par drapage d’une cinquième pluralité de mèches 61 et d’une cinquième pluralité de bandes souples de liant fugitif 62 sur le quatrième pli unidirectionnel 40. Les mèches 61 et les bandes souples 62 sont drapées de manière à être alignées suivant une cinquième direction DA61 différente de la quatrième direction d’alignement DA41. Dans l’exemple décrit ici, la cinquième direction d’alignement DA61 forme un angle de -45° avec la direction de référence DREF. On obtient dans ce cas une texture fibreuse constituée d’un drapage de cinq plis unidirectionnels en 0°/90°/0°/90°/-45°. On voit dans cet exemple que la structure fibreuse peut comprendre un ou plusieurs plis unidirectionnels dont la direction d’alignement des mèches présente un angle variable par rapport à la direction de référence.
D’une manière générale, les directions d’alignement DA11et DA31des premier et troisième plis unidirectionnels 10 et 30 forment un angle α avec la direction de référence DREFtandis que les directions d’alignement DA21et DA41des deuxième et troisième plis unidirectionnels 20 et 40 forment un angle β avec la direction de référence DREF. Les angles α et β peuvent être identiques ou différents. L’angle α ou β peut être nul de sorte à ce que les directions d’alignement DA11et DA31ou les directions d’alignement DA21et DA41sont parallèles à la direction de référence DREF.
A titre d’exemples non limitatifs, la texture fibreuse selon l’invention comprend quatre plis unidirectionnels ou plus dont les mèches sont orientées selon les configurations suivantes :
- quatre ou plus plis unidirectionnels en 0°/90°/0°/90°/etc. (ou 90°/0°/90°/0°/etc.) ;
- quatre ou plus plis unidirectionnels en +45°/-45°/+45°/-45°/etc. (ou -45°/+45°/-45°/+45/etc.) ;
- quatre ou plus plis unidirectionnels en +30°/-30°/+30°/-30°/etc. (ou -30°/+30°/-30°/+30°/etc.) ;
- quatre ou plus plis unidirectionnels en 0°/-30°/0°/-30°/etc. (ou 0°/+30°/0°/+30°/etc)
- quatre ou plus plis unidirectionnels en 90°/-30°/90°/-30°/etc. (ou 90°/+30°/90°/+30°/etc)
- quatre ou plus plis unidirectionnels en 0°/+45°/0°/+45°/etc (ou 0°/-45°/0°/-45°/etc.)
- 16 plis unidirectionnels en 0°/90°/0°/90°/-45°/+45°/-45°/+45°/-45°/+45°/-45°/+45°/90°/0°/90° ;
- 12 plis unidirectionnels en 0°/-30°/0°/-30°/90°/-30°/90°/-30°/0°/45°/0°/45° ;
- etc.
On décrit maintenant la fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique (CMC) à partir de la texture fibreuse 50 illustrée en . Dans l’exemple décrit la texture fibreuse 50 est réalisée avec des mèches en oxyde d’alumine.
Comme illustrée sur les figures 9 et 10, une texture fibreuse 50 est placée dans un outillage 100 qui comprend un moule 110 et un contre-moule 120. Le moule 110 comprend un fond 111 muni d’un évent 112. Le moule 110 comprend également une paroi latérale 113 qui forme avec le fond 111 une cavité de moulage 114. Dans l’exemple illustré, l’outillage 100 dans lequel la texture fibreuse 50 est présente est fermé dans sa partie inférieure par le moule 110 et est fermé dans sa partie supérieure par le contre-moule 120 formant un couvercle refermant l’outillage 100. Le moule 110 et le contre-moule 120 servent à dimensionner la préforme et donc la pièce à obtenir ainsi qu’à ajuster le taux de fibres dans la pièce à obtenir.
Le contre-moule 120 comporte une pluralité de ports d’injection 121 au travers desquels un liquide chargé de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire est destiné à être injecté afin de pénétrer dans la porosité de la texture fibreuse 50 au travers de la première face 50a de la texture fibreuse 1. Dans l’exemple illustré aux figures 9 et 10, le liquide chargé est destiné à être injecté au travers d’une pluralité de ports d’injection 121 débouchant dans des zones différentes de la cavité de moulage. Le moule 110 comporte, quant à lui, un évent d’évacuation 112 du liquide.
Une pièce en matériau poreux 130 est présente dans la cavité de moulage 114 entre le moule 110 et la texture fibreuse 50. La pièce en matériau poreux 130 présente une face supérieure 130a en contact avec la deuxième face 10b de la texture fibreuse 50 au travers de laquelle le drainage du liquide est destiné à être réalisé. La deuxième face 50b de la texture fibreuse 50 est, dans l’exemple illustré aux figures 6 et 7, située du côté opposé à la première face 50a au travers de laquelle la barbotine est destinée à pénétrer dans la texture 50. Le liquide chargé de particules céramiques réfractaires peut être également injecté sur les côtés de la préforme.
La pièce en matériau poreux 130 peut par exemple être réalisée en polytétrafluoroéthylène (PTFE) microporeux comme les produits « microporous PTFE » vendus par la société Porex®. On peut par exemple utiliser pour réaliser la pièce en matériau poreux 130, le matériau PM 0130 commercialisé par la société Porex® présentant une taille de pores comprise entre 1 µm et 2 µm.
La pièce en matériau poreux 130 permet le drainage du liquide à l’extérieur de la texture fibreuse 50 et son évacuation par l’évent de sortie 112 du fait de l’application d’un gradient de pression entre l’évent de sortie 112 et les ports d’injection 121.
A titre d’exemple, la pièce en matériau poreux 130 peut présenter une épaisseur supérieure ou égale à 1 mm, voire de plusieurs millimètres. Le taux moyen de porosité de la pièce en matériau poreux 130 peut être d’environ 30%. La taille moyenne des pores (D50) de la pièce en matériau poreux peut par exemple être comprise entre 1 µm et 2 µm.
Dans un exemple de réalisation, la pièce en matériau poreux 130 peut être rigide et présenter une forme correspondant à la forme de la préforme et de la pièce en matériau composite à obtenir. Dans ce cas, la pièce en matériau poreux peut par exemple être réalisée par thermoformage. En variante, la pièce en matériau poreux peut être déformable et peut prendre la forme du moule laquelle correspond à la forme de la préforme et de la pièce en matériau composite à obtenir.
Avant l’injection d’une barbotine dans la texture fibreuse 50, une pression de compaction permettant de mouler et compacter la texture fibreuse 50 entre le moule 110 et le contre-moule 120 peut être appliquée par serrage du moule ou au moyen d’une presse, cette pression de compaction pouvant être maintenue durant l’injection.
Avant l’injection de la barbotine, on procède à l’élimination des bandes souples en matériau fugitif présentes dans la texture fibreuse afin d’ouvrir des espaces entre les mèches de tous les plis unidirectionnels de la texture, ces espaces formant des canaux ou chemins de circulation pour faciliter l’infiltration de la barbotine au sein de la texture fibreuse.
Dans l’exemple décrit ici, les bandes souples sont formées d’un polymère thermoplastique hydrosoluble. La texture fibreuse est alors soumise à une phase de rinçage à l’eau chaude afin d’éliminer les bandes souples intercalées entre les mèches des différents plis unidirectionnels.
Dans l’exemple décrit ici, le liquide chargé correspond à une barbotine contenant des particules céramiques réfractaires. La illustre la configuration obtenue durant l’injection d’une barbotine 150 et le drainage du milieu liquide de celle-ci. La barbotine 150 a été injectée sous pression par les ports d’injection 121 de manière à pénétrer dans la texture fibreuse 50 au travers de sa première face 50a. Les particules céramiques réfractaires 1500 présentes dans la barbotine 150 sont destinées à permettre la formation d’une matrice céramique réfractaire dans la porosité de la texture fibreuse 50.
La barbotine peut par exemple être une suspension d’une poudre de SiC dans de l’eau. La dimension particulaire moyenne (D50) de la poudre d’alumine peut être comprise entre 0,1 µm et 0,3 µm. La poudre d’alumine utilisée peut être une poudre d’alumine alpha commercialisée par la société Baikowski sous la dénomination SM8.
Le milieu liquide de la barbotine peut, par exemple, comporter une phase aqueuse présentant un pH acide (i.e. un pH inférieur à 7) et/ou une phase alcoolique comportant par exemple de l’éthanol. La barbotine peut comporter un acidifiant tel que de l’acide nitrique et le pH du milieu liquide peut par exemple être compris entre 1,5 et 4. La barbotine peut, en outre, comporter un liant organique comme de l’alcool polyvinylique (PVA) lequel est notamment soluble dans l’eau.
Comme illustré sur la , les particules céramiques réfractaires 1500 sont présentes après injection de la barbotine 150 dans la porosité de la texture fibreuse 10. Les flèches 151 représentent le mouvement de la barbotine 150 injectée dans la texture fibreuse 10. Les flèches 152 représentent quant à elles le mouvement du milieu ou phase liquide de la barbotine drainé par la pièce en matériau poreux 130.
Le contre-moule 120 exerce une pression sur la texture fibreuse 10 pendant et après l’étape d’injection.
Un pompage P peut, en outre, être réalisé au niveau de l’évent de sortie 112 durant le drainage, par exemple au moyen d’une pompe à vide primaire. La réalisation d’un tel pompage permet d’améliorer le drainage et de sécher plus rapidement la texture fibreuse.
En alternative ou en combinaison, on peut durant le drainage chauffer le milieu liquide encore présent dans la porosité de la texture fibreuse afin d’évaporer ce dernier au travers de la deuxième face de la texture fibreuse et de la pièce en matériau poreux. Par exemple, la température du milieu liquide peut être élevée à une température comprise entre 80°C et 105°C.
Dans cette configuration, la pièce en matériau poreux 130 permet de retenir dans la texture fibreuse 50 les particules céramiques réfractaires 1500 initialement présentes dans la barbotine et que tout ou partie de ces particules se déposent par filtration dans la texture fibreuse 50.
Une fois les étapes d’injection et de drainage effectuées, on obtient une préforme fibreuse 55 chargée de particules céramiques réfractaires, par exemple de particules d’oxyde céramique réfractaire, par exemple d’alumine.
La préforme obtenue est ensuite séchée puis démoulée, la préforme pouvant conserver après démoulage la forme adoptée dans la cavité de moulage, par exemple sa forme adoptée après compaction entre le moule et le contre-moule grâce à la présence d’un liant dans la barbotine tel que du PVA.
La préforme est ensuite soumise à un traitement thermique, ici un frittage, par exemple sous air à une température comprise entre 1000°C et 1200°C afin de fritter les particules céramiques réfractaires et ainsi former une matrice céramique réfractaire dans la porosité de la préforme fibreuse. On obtient alors une pièce en matériau composite CMC munie d’un renfort fibreux formé par la préforme fibreuse et présentant un taux volumique de matrice élevé avec une répartition homogène de la matrice céramique réfractaire dans tout le renfort fibreux.
Le liquide chargé injecté dans la préforme peut, en variante, comporter des particules d’un précurseur de céramique réfractaire, par exemple de type sol-gel ou polymérique. Dans ce cas, le traitement thermique comporte au moins une étape de transformation du précurseur de céramique réfractaire en un matériau céramique (étape dite de céramisation) suivi éventuellement d’une étape supplémentaire de frittage afin de densifier d’avantage la pièce en matériau composite.
Dans le cas de la fabrication d’une pièce en matériau composite C/C, on réalise par exemple une texture fibreuse en fibres de carbone et on imprègne celle-ci avec un précurseur liquide de carbone tel qu’une résine phénolique. Dans le cas d’une pièce en matériau composite à matrice organique (CMO), on réalise par exemple une texture fibreuse avec des fibres de carbone ou de verre et on imprègne celle-ci avec une résine époxyde.

Claims (10)

  1. Texture fibreuse (50) comprenant un empilement d’au moins des première et deuxième plis unidirectionnels (10, 20), caractérisée en ce que le premier pli unidirectionnel (10) comprend une première pluralité de mèches (11) et une première pluralité de bandes souples de liant fugitif (12) alignées suivant une première direction (DA11), les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches, et en ce que le deuxième pli unidirectionnel (20) comprend une deuxième pluralité de mèches (21) et une deuxième pluralité de bandes souples de liant fugitif (22) alignées suivant une deuxième direction (DA21) différente de la première direction (DA11), les mèches de la deuxième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches.
  2. Texture fibreuse selon la revendication 1, dans laquelle les première et deuxième (DA 1 1, DA 2 1) directions sont perpendiculaires entre elles.
  3. Texture fibreuse selon la revendication 2, dans laquelle la première direction (DA11) est parallèle à une direction de référence (DREF) de la texture fibreuse (50) tandis que la deuxième direction (DA21) est perpendiculaire à la direction de référence.
  4. Texture fibreuse selon la revendication 2, dans laquelle la première direction forme un angle de +45° avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que la deuxième direction forme un angle de -45° avec la direction de référence.
  5. Texture fibreuse selon la revendication 1, dans laquelle la première direction forme un angle α avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que la deuxième direction forme un angle β avec la direction de référence.
  6. Texture fibreuse selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les bandes souples de liant fugitif des première et deuxième pluralités de bandes souples de liant fugitif sont en un matériau soluble dans l’eau.
  7. Procédé de fabrication d’une texture fibreuse (50) comprenant au moins :
    - la réalisation d’un premier pli unidirectionnel (10) par drapage d’une première pluralité de mèches (11) et d’une première pluralité de bandes souples de liant fugitif (12) alignées suivant une première direction (DA11), les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches,
    - la réalisation d’un deuxième pli unidirectionnel (20) par drapage sur le premier pli (10) d’une deuxième pluralité de mèches (21) et d’une deuxième pluralité de bandes souples de liant fugitif (22) alignées suivant une deuxième direction (DA21) différente de la première direction (DA11), les mèches de la deuxième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres par les bandes souples de liant fugitif intercalées entre les mèches.
  8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les première et deuxième (DA 1 1, DA 2 1) directions sont perpendiculaires entre elles.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 et 8, dans lequel les bandes souples de liant fugitif des première et deuxième pluralités de bandes souples de liant fugitif sont en un matériau soluble dans l’eau.
  10. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
    - formation d’une texture fibreuse (50) conformément au procédé de fabrication d’une texture fibreuse selon l’une quelconque des revendications 1 à 6,
    - placement de la texture fibreuse (50) dans un moule (110) comportant dans sa partie inférieure une pièce en matériau poreux (130) sur laquelle repose une première face (50b) de ladite texture (50),
    - fermeture du moule avec un contre-moule, un couvercle ou une membrane souple (120) placé en regard d’une deuxième face (50a) de la texture fibreuse (50),
    - élimination des bandes souples en liant fugitif présentes dans la texture fibreuse,
    - injection sous pression d’un liquide (150) contenant une poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire dans la texture fibreuse (50),
    - drainage par la pièce en matériau poreux (120) du liquide ayant traversé la texture fibreuse (50) et rétention de la poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire à l'intérieur de ladite texture par ladite pièce en matériau poreux (130) de manière à obtenir une préforme fibreuse (55) chargée de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire, le liquide étant évacué par au moins un évent présent sur le fond du moule,
    - séchage de la préforme fibreuse (55),
    - démoulage de la préforme fibreuse (55), et
    - traitement thermique des particules céramiques réfractaires ou des particules d’un précurseur de céramique réfractaire présentes dans la préforme fibreuse afin de former une matrice céramique réfractaire dans ladite préforme.
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FR3032964A1 (fr) * 2015-07-24 2016-08-26 Aircelle Sa Procede de fabrication d’un panneau d’attenuation acoustique en materiau composite stratifie a matrice ceramique, comportant des canaux internes
FR3062336A1 (fr) * 2017-02-02 2018-08-03 Safran Ceramics Procede de fabrication d'une piece en materiau composite
WO2018234669A1 (fr) * 2017-06-19 2018-12-27 Safran Aircraft Engines Procede de fabrication d'une piece en materiau composite presentant une ou plusieurs variations locales d'epaisseur

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