FR3114991A1 - Texture fibreuse non tissée avec embuvage - Google Patents

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Abstract

Texture fibreuse non tissée avec embuvage Une texture fibreuse (50) comprend un empilement d’au moins des première, deuxième, troisième et quatrième plis unidirectionnels (10, 20, 30, 40). Les premier deuxième, troisième et quatrième plis (10, 20, 30, 40) comprennent chacun respectivement une première pluralité de mèches (11) alignées suivant une première direction (DA11), une deuxième pluralité de mèches (21) alignées suivant une deuxième direction (DA21) différente de la première direction (DA11), une troisième pluralité de mèches (31) alignées suivant une troisième direction (DA31) différente de la deuxième direction (DA21)et une quatrième pluralité de mèches (41) alignées suivant une quatrième direction (DA41) différente de la troisième direction (DA31). Les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D11) suivant une direction perpendiculaire à la première direction. Les mèches de la deuxième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D21) suivant une direction perpendiculaire à la deuxième direction. Les mèches de la troisième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D31) suivant une direction perpendiculaire à la troisième direction, les mèches (31) de la troisième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces présents entre les mèches (11) de la première pluralité de mèches du premier pli (10). Les mèches de la quatrième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D41) suivant une direction perpendiculaire à la quatrième direction, les mèches (41) de la quatrième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces présents entre les mèches (21) de la deuxième pluralité de mèches du deuxième pli (20). Figure pour l’abrégé : Fig. 4.

Description

Texture fibreuse non tissée avec embuvage
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 (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.
La présente invention a donc pour but principal de proposer une texture fibreuse comprenant des plis unidirectionnels qui présente 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, deuxième, troisième et quatrième plis unidirectionnels, caractérisée en ce que le premier pli comprend une première pluralité de mèches alignées suivant une première direction, les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée suivant une direction perpendiculaire à la première direction, en ce que le deuxième pli comprend une deuxième pluralité de mèches alignées suivant une deuxième direction différente de la première direction, les mèches de la deuxième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée suivant une direction perpendiculaire à la deuxième direction, en ce que le troisième pli comprend une troisième pluralité de mèches alignées suivant une troisième direction différente de la deuxième direction, les mèches de la troisième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée suivant une direction perpendiculaire à la troisième direction, les mèches de la troisième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces présents entre les mèches de la première pluralité de mèches du premier pli, et en ce que le quatrième pli comprend une quatrième pluralité de mèches alignées suivant une quatrième direction différente de la troisième direction, les mèches de la quatrième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée suivant une direction perpendiculaire à la quatrième direction, les mèches de la quatrième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces présents entre les mèches de la deuxième pluralité de mèches du deuxième pli.
Comme dans chaque pli unidirectionnel, les mèches sont espacées l’une de l’autre d’une distance déterminée, la texture fibreuse de l’invention présente un embuvage comparable à celui présent dans des textures tissées 2D ou 3D. Grâce à la présence d’embuvage, la structure fibreuse comporte des canaux facilitant l’infiltration d’une composition liquide au sein de la texture. Cela permet d’assurer une imprégnation homogène et complète de la texture fibreuse bien qu’elle soit constituée d’un empilement de plis unidirectionnels.
La texture fibreuse de l’invention a également un comportement à la compaction différent d’une texture comprenant des plis unidirectionnels de l’art antérieur. En effet, sous l’effet d’une compaction, la sur-longueur des mèches est absorbée par réorganisation interne de l’embuvage des fils.
En outre, l’entrecroisement des mèches renforce la liaison pli à pli, ce qui permet d’obtenir des pièces en CMC plus résistantes aux délaminages provoqués par de la perforation (type perforation acoustique).
Selon une caractéristique de la texture de l’invention, les distances déterminées suivant lesquelles les mèches respectivement des première, deuxième, troisième et quatrième pluralités de mèches sont espacées les unes des autres sont chacune supérieures à la distance d’une mèche desdites première, deuxième, troisième et quatrième pluralités de mèches.
Selon une autre caractéristique de la texture de l’invention, les deuxième et quatrième directions sont perpendiculaires aux première et troisième directions. Les première et troisième directions peuvent être parallèles à une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions sont perpendiculaires à la direction de référence. Les première et troisième directions peuvent également former un angle de +45° avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions forment un angle de -45° avec la direction de référence.
Selon une autre caractéristique de la texture de l’invention, les première et troisième directions forment un angle α avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions forment un angle β avec la direction de référence. Les angles α et β peuvent être identiques ou différents.
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 alignées suivant une première direction, les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée suivant une direction perpendiculaire à la première direction,
- la réalisation d’un deuxième pli unidirectionnel par drapage sur le premier pli d’une deuxième pluralité de mèches alignées suivant une deuxième direction différente de la première direction, les mèches de la deuxième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée suivant une direction perpendiculaire à la deuxième direction,
- la réalisation d’un troisième pli unidirectionnel par drapage sur le deuxième pli d’une troisième pluralité de mèches alignées suivant une troisième direction différente de la deuxième direction, les mèches de la troisième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée suivant une direction perpendiculaire à la troisième direction, les mèches de la troisième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces présents entre les mèches de la première pluralité de mèches du premier pli,
- la réalisation d’un quatrième pli unidirectionnel par drapage sur le troisième pli d’une quatrième pluralité de mèches alignées suivant une quatrième direction différente de la troisième direction, les mèches de la quatrième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée suivant une direction perpendiculaire à la quatrième direction, les mèches de la quatrième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces présents entre les mèches de la deuxième pluralité de mèches du deuxième pli.
Selon une caractéristique du procédé de fabrication d’une texture fibreuse de l’invention, les distances déterminées suivant lesquelles les mèches respectivement des première, deuxième, troisième et quatrième pluralités de mèches sont espacées les unes des autres sont chacune supérieures à la distance d’une mèche desdites première, deuxième, troisième et quatrième pluralités de mèches.
Selon une autre caractéristique du procédé de fabrication d’une texture fibreuse de l’invention, les deuxième et quatrième directions sont perpendiculaires aux première et troisième directions. Les première et troisième directions peuvent être parallèles à une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions sont perpendiculaires à la direction de référence. Les première et troisième directions peuvent également former un angle de +45° avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions forment un angle de -45° avec la direction de référence.
Selon une autre caractéristique du procédé de fabrication d’une texture fibreuse de l’invention, les première et troisième directions forment un angle α avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions forment un angle β avec la direction de référence. Les angles α et β peuvent être identiques ou différents.
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 selon le procédé de fabrication d’une texture fibreuse de l’invention,
- 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 ou un couvercle placé en regard d’une deuxième face de 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 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 .
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 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.
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. Chaque mèche est appliquée et découpée indépendamment des autres, ce qui permet un placement précis de chacune des mèches sous toute géométrie de support. Les fibres utilisées pour constituer les mèches à déposer peuvent être notamment des fibres de verre, de carbone, de carbure de silicium, ou d’oxyde, ou encore un mélange de ces fibres.
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 D11suivant une direction perpendiculaire à la première direction DA11, la distance déterminée D11étant de préférence supérieure à la largeur d’une seule mèche 11.
Sur la , un deuxième pli unidirectionnel 20 est formé par drapage d’une deuxième pluralité de mèches 21 sur le premier pli unidirectionnel 10. Les mèches 21 sont drapées de manière à être alignées suivant une deuxième direction DA21différente de la première direction d’alignement DA11. Dans l’exemple décrit ici, la deuxième direction d’alignement DA21est perpendiculaire à la première direction d’alignement DA11. Les mèches 21 sont espacées les unes des autres d’une distance déterminée D21suivant une direction perpendiculaire à la deuxième direction DA21, la distance déterminée D2 1étant de préférence supérieure à la largeur d’une seule mèche 21.
Sur la , un troisième pli unidirectionnel 30 est formé par drapage d’une troisième pluralité de mèches 31 sur le deuxième pli unidirectionnel 20. Les mèches 31 sont drapées de manière à être alignées suivant une troisième direction DA 3 1différente de la deuxième direction d’alignement DA 2 1. Dans l’exemple décrit ici, la troisième direction d’alignement DA31est perpendiculaire à la deuxième direction d’alignement DA21. Les mèches 31 sont espacées les unes des autres d’une distance déterminée D3 1suivant une direction perpendiculaire à la troisième direction DA 3 1, la distance déterminée D3 1étant de préférence supérieure à la largeur d’une seule mèche 31. Les mèches 31 sont positionnées au niveau des espaces E11présents entre les mèches 11 de la première pluralité de mèches du premier pli unidirectionnel 10.
Sur la , un quatrième pli unidirectionnel 40 est formé par drapage d’une quatrième pluralité de mèches 41 sur le troisième pli unidirectionnel 30. Les mèches 41 sont drapées de manière à être alignées suivant une quatrième direction DA41différente de la troisième direction d’alignement DA31. Dans l’exemple décrit ici, la quatrième direction d’alignement DA41est perpendiculaire à la troisième direction d’alignement DA31. Les mèches 41 sont espacées les unes des autres d’une distance déterminée D4 1suivant une direction perpendiculaire à la quatrième direction DA 4 1, la distance déterminée D4 1étant de préférence supérieure à la largeur d’une seule mèche 41. Les mèches 41 sont positionnées au niveau des espaces E2 1présents entre les mèches 21 de la deuxième pluralité de mèches du deuxième pli unidirectionnel 20.
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, les mèches sont espacées l’une de l’autre d’une distance déterminée, la texture fibreuse 50 présente un embuvage comparable à celui présent dans des textures tissées 2D ou 3D. Plus précisément, un premier embuvage est réalisé avec les mèches 21 du deuxième pli unidirectionnel 20 qui, lorsqu’elles sont déposées sur le premier pli unidirectionnel 10, présentent une ondulation en raison des espaces E11présents entre les mèches 11 du premier pli 10. De même, un deuxième embuvage est réalisé avec les mèches 31 du troisième pli unidirectionnel 30 qui, lorsqu’elles sont déposées sur le deuxième pli unidirectionnel 20, présentent une ondulation en raison des espaces E11et E21présents respectivement entre les mèches 11 du premier pli 10 et les mèches 21 du deuxième pli 20. Par « embuvage », on entend ici l’ondulation présentée par les fils d’un pli unidirectionnel lorsqu’ils croisent les fils d’un ou plusieurs autres plis unidirectionnels sous-jacents.
Grâce à la présence d’embuvage, la structure fibreuse 50 comporte des canaux facilitant l’infiltration d’une composition liquide au sein de la texture. Cela permet d’assurer une imprégnation homogène et complète de la texture fibreuse bien qu’elle soit constituée d’un empilement de plis unidirectionnels.
La distance d’espacement entre les mèches dans chaque pli unidirectionnel, comme ici les distances D11, D21, D31et D41, est définie notamment en fonction du taux ou angle d’embuvage souhaité. La distance d’espacement est de préférence au moins égale à la taille (diamètre, section, etc.) des mèches utilisées dans la texture fibreuse. En d’autres termes, les plis unidirectionnels de la texture fibreuse comprennent une mèche sur deux par rapport à un pli unidirectionnel habituel. Dans l’exemple décrit ici, les distances d’espacement D11, D21, D31et D41sont égales à 10,35mm, les mèches ayant une taille de 6mm.
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 sur le quatrième pli unidirectionnel 40. Les mèches 61 sont drapées de manière à être alignées suivant une deuxième 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. Les mèches 61 sont espacées les unes des autres d’une distance déterminée d61 suivant une direction perpendiculaire à la deuxième direction DA61. 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°/0°.
- 12 plis unidirectionnels en 0°/-30°/0°/-30°/90°/-30°/90°/-30°/0°/45°/0°/45° ;
- etc.
Les mèches utilisées pour réaliser la texture fibreuse selon l’invention sont de préférence revêtues d’un liant fugitif, par exemple un matériau tackifiant apte à être éliminé par rinçage à l’eau.
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 6 et 7, 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 6 et 7, 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 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.
En variante, la pression de compaction peut être appliquée après le début de l’injection du liquide chargé et peut ensuite être maintenue. L’application d’une pression de compaction peut permettre de compacter la texture afin d’aider au drainage du liquide et d’atteindre une épaisseur cible pour la préforme fibreuse sans endommager celle-ci.
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 (13)

  1. Texture fibreuse (50) comprenant un empilement d’au moins des première, deuxième, troisième et quatrième plis unidirectionnels (10, 20, 30, 40), caractérisée en ce que le premier pli (10) comprend une première pluralité de mèches (11) alignées suivant une première direction (DA11), les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D11) suivant une direction perpendiculaire à la première direction, en ce que le deuxième pli (20) comprend une deuxième pluralité de mèches (21) 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 d’une distance déterminée (D21) suivant une direction perpendiculaire à la deuxième direction, en ce que le troisième pli (30) comprend une troisième pluralité de mèches (31) alignées suivant une troisième direction (DA31) différente de la deuxième direction (DA21), les mèches de la troisième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D31) suivant une direction perpendiculaire à la troisième direction, les mèches (31) de la troisième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces (E11) présents entre les mèches (11) de la première pluralité de mèches du premier pli (10), et en ce que le quatrième pli (40) comprend une quatrième pluralité de mèches (41) alignées suivant une quatrième direction (DA41) différente de la troisième direction (DA31), les mèches de la quatrième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D41) suivant une direction perpendiculaire à la quatrième direction, les mèches (41) de la quatrième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces (E21) présents entre les mèches (21) de la deuxième pluralité de mèches du deuxième pli (20).
  2. Texture selon la revendication 1, dans laquelle les distances déterminées (D11, D21, D31, D41) suivant lesquelles les mèches respectivement des première, deuxième, troisième et quatrième pluralités de mèches sont espacées les unes des autres sont chacune supérieures à la largeur d’une mèche desdites première, deuxième, troisième et quatrième pluralités de mèches.
  3. Texture selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les deuxième et quatrième directions (DA21, DA41) sont perpendiculaires aux première et troisième directions (DA11, DA31).
  4. Texture selon la revendication 3, dans laquelle les première et troisième directions (DA11, DA31) sont parallèles à une direction de référence (DREF) de la texture fibreuse (50) tandis que les deuxième et quatrième directions (DA21, DA41) sont perpendiculaires à la direction de référence.
  5. Texture selon la revendication 3, dans laquelle les première et troisième directions forment un angle de +45° avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions forment un angle de -45° avec la direction de référence.
  6. Texture selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les première et troisième directions forment un angle α avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions forment un angle β avec la direction de référence.
  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) alignées suivant une première direction (DA11), les mèches de la première pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D11) suivant une direction perpendiculaire à la première direction,
    - la réalisation d’un deuxième pli unidirectionnel (20) par drapage sur le premier pli (10) d’une deuxième pluralité de mèches (21) 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 d’une distance déterminée (D21) suivant une direction perpendiculaire à la deuxième direction,
    - la réalisation d’un troisième pli unidirectionnel (30) par drapage sur le deuxième pli (20) d’une troisième pluralité de mèches (31) alignées suivant une troisième direction (DA31) différente de la deuxième direction (DA21), les mèches de la troisième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D31) suivant une direction perpendiculaire à la troisième direction, les mèches (31) de la troisième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces (E11) présents entre les mèches (11) de la première pluralité de mèches du premier pli (10),
    - la réalisation d’un quatrième pli unidirectionnel (40) par drapage sur le troisième pli (30) d’une quatrième pluralité de mèches (41) alignées suivant une quatrième direction(DA41) différente de la troisième direction (DA31), les mèches de la quatrième pluralité de mèches étant espacées les unes des autres d’une distance déterminée (D41) suivant une direction perpendiculaire à la quatrième direction, les mèches (41) de la quatrième pluralité de mèches étant positionnées au niveau des espaces (E21) présents entre les mèches (21) de la deuxième pluralité de mèches du deuxième pli (20).
  8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les distances déterminées (D11, D21, D31, D41) suivant lesquelles les mèches respectivement des première, deuxième, troisième et quatrième pluralités de mèches sont espacées les unes des autres sont chacune supérieures à la largeur d’une mèche desdites première, deuxième, troisième et quatrième pluralités de mèches.
  9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les deuxième et quatrième (DA21, DA41) directions sont perpendiculaires aux première et troisième directions (DA11, DA31).
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les première et troisième directions (DA11, DA31) sont parallèles à une direction de référence (DREF) de la texture fibreuse (50) tandis que les deuxième et quatrième directions (DA21, DA41) sont perpendiculaires à la direction de référence.
  11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les première et troisième directions forment un angle de +45° avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions forment un angle de -45° avec la direction de référence.
  12. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les première et troisième directions forment un angle α avec une direction de référence de la texture fibreuse tandis que les deuxième et quatrième directions forment un angle β avec la direction de référence.
  13. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
    - formation d’une texture fibreuse (50) par le procédé de fabrication d’une texture fibreuse selon l’une quelconque des revendications 7 à 12 à partir de fibres céramiques réfractaires,
    - 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 (120) ou une bâche placé en regard d’une deuxième face (50a) de la texture fibreuse (50),
    - 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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WO2005018698A1 (fr) * 2003-08-20 2005-03-03 Bioretec Oy Dispositif medical poreux et procede de fabrication
FR3050454A1 (fr) * 2016-04-25 2017-10-27 Safran Procede de fabrication d'une piece en materiau composite par injection d'une barbotine chargee dans une texture fibreuse

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