LU88739A1 - Structure alvéolaire non-métallique de haute conductivité thermique à parois de cellules stratifiées - Google Patents

Structure alvéolaire non-métallique de haute conductivité thermique à parois de cellules stratifiées Download PDF

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Description

95-194F PCT/US94/11372 N PCT PCT/US94/11372
Titulaire HEXCEL CORPORATION
STRUCTURE ALVEOLAIRE NON-METALLIQUE DE HAUTE CONDUCTIVITE THERMIQUE A PAROIS DE CELLULES STRATIFIEES
Arrière-plan de l'invention 1. Champ de l'invention
La présente invention se réfère généralement à des structures alvéolaires non-métalliques destinées à être utilisées dans des situations où une haute conductivité thermique est nécessaire à travers la structure. La présente invention concerne notamment l'amélioration de la conductivité thermique d'alvéoles non-métalliques faits de matériaux composites en incluant des fibres de carbone à base de brai de haute conductivité dans la structure alvéolaire.
2. Description de l'état de la technique connexe
Les structures alvéolaires sont bien connues et largement utilisées dans de nombreuses applications où une résistance élevée et un matériau léger sont nécessaires. Les caractéristiques combinées de légèreté et de résistance que l'on retrouve dans les structures alvéolaires rendent ces dernières particulièrement adaptées à l'utilisation dans les aéronefs. Les structures alvéolaires ont été réalisées dans une grande variété de matériaux incluant les métaux, tels que l'aluminium. Les matériaux composites faits de fibres imprégnées de résine et de stratifiés au papier ont eux aussi été largement utilisés dans les structures alvéolaires. Ces matériaux se sont révélés particulièrement bien adaptés à une utilisation dans les aéronefs en raison de leur légèreté, leur résistance élevée et leur rigidité. En plus de leur légèreté et de leur résistance élevée, les structures alvéolaires non-métalliques sont de bons isolants qui sont utilisés dans les structures d'aéronefs où leurs propriétés isolantes sont avantageuses.
Bien que les propriétés isolantes des alvéoles non-métalliques soient souhaitables dans de nombreux cas, il existe des situations où l'on souhaite avoir des matériaux légers de résistance élevée ayant une haute conductivité thermique. Par exemple, les moteurs des avions à réaction nécessitent un degré élevé de transfert thermique à travers la structure du moteur afin de maintenir les charges de température de structure à des niveaux acceptables. En conséquence, la structure du moteur du noyau chaud au compartiment extérieur doit avoir une haute conductivité thermique tout en étant néanmoins extrêmement solide et légère.
Les structures alvéolaires en aluminium sont solides et ont une conductibilité de chaleur suffisante pour transférer la charge thermique nécessaire du noyau chaud au compartiment extérieur. Cependant, le noyau d'aluminium, en liaison avec des chemises composites renforcées aux fibres de graphite, est susceptible de connaître des problèmes de corrosion. Diverses structures alvéolaires composites renforcées aux fibres de verre et divers matériaux composites renforcés aux fibres de carbone à base de polyacrylonitrile (PAN) ont été proposés en tant que substituts possibles aux structures alvéolaires en aluminium dans les moteurs des avions à réaction. Cependant, ces structures alvéolaires non-métalliques ne conviennent pas à cause de leur faible conductivité thermique.
Considérant ce qui vient d'être dit, il serait souhaitable de fournir des structures alvéolaires non-métalliques présentant une conductivité thermique accrue, de manière à ce que de telles structures puissent être utilisées dans des applications nécessitant des vitesses de transfert de chaleur élevées. Il serait souhaitable, en outre, de fournir une telle structure alvéolaire non-métallique de haute conductivité thermique dans laquelle les caractéristiques avantageuses que sont la résistance de construction et la légèreté soient conservées. Il serait souhaitable également de fournir une telle structure alvéolaire non-métallique de haute conductivité thermique présentant des propriétés thermo-mécaniques étudiées pour être adaptées à des scénarios spécifiques de charge du noyau.
Résumé de l'invention
Selon la présente invention, on propose une structure alvéolaire non-métallique qui est légère, solide et présente un degré élevé de conductivité thermique. La présente invention est basée sur la découverte d'après laquelle des fibres de carbone à base de brai de haute conductivité peuvent être incorporées dans des matériaux composites non-métalliques pour conférer des niveaux élevés de conductivité thermique à la structure alvéolaire.
Selon la présente invention, on propose une structure alvéolaire non-métallique de haute conductivité thermique, dans laquelle la structure comprend une pluralité de parois reliées les unes aux autres qui définissent une pluralité de cellules en alvéole reliées les unes aux autres ayant une direction dans le sens de la longueur qui est transversale par rapport auxdites parois et une direction dans le sens de l'épaisseur qui est parallèle aux parois. Les parois des alvéoles incluent une pluralité de fibres non-métalliques ayant une faible conductivité thermique en combinaison avec une pluralité de fibres non-métalliques ayant une haute conductivité thermique. Les fibres sont imprégnées dans une matrice de résine.
Une caractéristique de la présente invention réside dans le fait que les fibres de haute conductivité thermique puissent être orientées pour s'étendre essentiellement dans la direction de la longueur de la structure alvéolaire afin d’assurer un transfert de chaleur dirigé transversalement à travers l'alvéole. Une autre caractéristique de la présente invention réside dans le fait que les fibres de haute conductivité thermique puissent être orientées pour s'étendre essentiellement dans la direction de l'épaisseur de l'alvéole afin d'assurer le transfert ou la conductance thermique dans la direction de l'épaisseur, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction de la longueur de l'alvéole.
Une autre caractéristique de la présente invention réside dans le fait que les fibres de haute conductivité thermique puissent être orientées pour s'étendre en formant un angle par rapport à la direction de la longueur de la structure alvéolaire, afin d'apporter un supplément de résistance de construction à la structure en plus d'un contrôle du transfert de chaleur à la fois dans les directions de l'épaisseur et de la longueur.
Une autre caractéristique encore de la présente invention réside dans le fait que les parois de cellules d'une structure alvéolaire typique soient formées d'une pluralité de couches renforcées par des fibres non-métalliques, dont au moins une est formée essentiellement de fibres de haute conductivité thermique orientées de manière unidirectionnelle.
L'utilisation de fibres de carbone à base de brai pour augmenter la conductivité de structures alvéolaires non-métalliques fournit des structures alvéolaires légères, de grande résistance, présentant un degré de conductivité élevé qui les rend fort bien adaptées à diverses utilisations où ces trois propriétés sont nécessaires.
Les caractéristiques et avantages concomitants de la présente invention décrits ci-dessus, et bien d'autres encore, seront mieux compris en se référant à la description détaillée faite ci-dessous, en liaison avec les dessins d'accompagnement.
Brève description des dessins
La Figure 1 représente une structure alvéolaire non-métallique typique privilégiée selon la présente invention, dans laquelle des fibres de carbone à base de brai ayant une haute conductivité thermique sont orientées dans la direction de l'épaisseur de la structure alvéolaire afin d'augmenter le transfert thermique à travers l'alvéole dans la direction de l'épaisseur.
La Figure 2 est une vue détaillée d’une portion de la structure alvéolaire montrée dans la Figure 1.
La Figure 3 représente une seconde exécution typique privilégiée selon la présente invention, dans laquelle les fibres de carbone à base de brai de haute conductivité thermique sont orientées dans la direction de la longueur de la structure alvéolaire afin d'augmenter le transfert thermique à travers la structure alvéolaire dans la direction de la longueur.
La Figure 4 est une vue détaillée d'une portion de l'alvéole montré dans la Figure 3.
La Figure 5 représente une troisième exécution typique privilégiée selon la présente invention, dans laquelle des fibres de carbone à base de brai de haute conductivité thermique sont disposées de manière à former des angles mesurant plus et moins de 45 par rapport à la direction de la longueur afin d'augmenter la résistance de construction ainsi que le transfert de chaleur multidirectionnel à travers la structure alvéolaire.
La Figure 6 est une vue détaillée d'une portion de la structure alvéolaire montrée dans la Figure 5.
La Figure 7 représente une quatrième exécution typique privilégiée qui est identique à la structure alvéolaire représentée dans la Figure 1, à l'exception du fait que des feuilles de renfort plates sont placées entre les ondulations des alvéoles.
La Figure 8 représente une vue explosée de la paroi de cellule d'une cinquième exécution typique privilégiée selon la présente invention, dans laquelle les parois de cellules sont formées d'une pluralité de couches de tissu non-métalliques unidirectionnelles imprégnées dans une matrice de résine.
La Figuré 9 représente, à titre d'exemple privilégié, un ruban d'alvéole lamellaire ondulé formé par une paroi de cellule non-métallique, montrée dans la Figure 8.
La Figure 10 représente une structure alvéolaire typique privilégiée formée d'une pluralité des rubans d'alvéoles lamellaires du type montré dans la Figure 8.
La Figure 11 représente la paroi de cellule non-métallique typique privilégiée de la Figure 8 sur laquelle sont disposées des couches de tissu non-poreux extérieures.
Description des exécutions privilégiées
La présente invention concerne la découverte résidant dans le fait que des fibres de carbone à base de brai peuvent être incorporées dans des structures alvéolaires non-métalliques pour augmenter la conductivité thermique de telles structures alvéolaires. En outre, on a découvert que la conductance thermique ou transfert de chaleur à travers la structure alvéolaire peut être contrôlé/e et dirigé/e en orientant les fibres de carbone à base de brai dans des directions sélectionnées.
La présente invention a une large application en vue de l'augmentation de la conductivité thermique de structures alvéolaires non-métalliques utilisées dans beaucoup d'applications différentes. La présente invention convient, notamment, à l’utilisation dans des moteurs d’avions à réaction où le transfert de chaleur du noyau chaud aux compartiments extérieurs est nécessaire et dans lesquels il faut des structures solides et légères. Bien que la présente invention soit particulièrement adaptée à ce type d'applications dans les aéronefs, les gens du métier reconnaîtront que l'augmentation de conductivité thermique fournie par la présente invention peut être utilisée de manière avantageuse pour augmenter et contrôler la conductivité thermique de structures alvéolaires non-métalliques utilisées dans toutes les applications où la résistance, la légèreté et un grand transfert de chaleur sont nécessaires.
La présente invention est particulièrement appropriée pour augmenter la conductivité thermique de structures alvéolaires faites de fibres de carbone à base de polyacrylonitrile (PAN) imprégnées de résine. L'invention peut également être utilisée pour augmenter et contrôler la conductivité thermique d'autres structures alvéolaires non-métalliques, telles que des fibres de verre imprégnées de résine, des fibres de polyaramide imprégnées de résine et des fibres de céramique imprégnées de résine. Les résines utilisées dans ces types de matériaux composites sont, de manière caractéristique, des polymères thermodurcis ou thermoplastiques. Des exemples de polymères appropriés incluent les résines phénoliques, les résines polyimides et les résines époxy.
La conductivité thermique des fibres de polyacrylonitrile, de verre et de céramique est typiquement inférieure à 100 watts/m K. Les fibres non-métalliques ayant une conductivité thermique de cet ordre de grandeur sont considérées comme ayant une basse conductivité thermique. Les résines dans lesquelles ces fibres sont imprégnées pour réaliser la structure alvéolaire ont également une basse conductivité thermique, de sorte que la structure alvéolaire résultante aura une conductivité thermique d’ensemble voisine de ces valeurs relativement faibles.
Selon la présente invention, les structures alvéolaires de basse conductivité thermique décrites ci-dessus sont transformées en structures alvéolaires de haute conductivité thermique en utilisant des fibres de carbone à base de brai. Les fibres de carbone à base de brai ont une haute conductivité thermique dont l'ordre de grandeur va, de manière caractéristique, de 200 watts/m K à environ 1200 watts/m K. Comme on va l'expliquer en détail plus bas, des fibres de carbone à base de brai peuvent être incorporées dans la structure alvéolaire en quantités allant d'environ 1 pour-cent en poids à environ 90 pour-cent en poids, afin de fournir une structure alvéolaire de haute conductivité thermique dans laquelle la direction du transfert thermique peut être contrôlée si on le souhaite.
Se référant à la Figure 1, une petite partie d'une structure alvéolaire typique privilégiée est repérée, de manière générale, par le numéro de référence 10. La structure alvéolaire 10 inclut trois cellules en alvéole 12, 14 et 16 reliées les unes aux autres. Comme on le sait bien, les structures alvéolaires incluent, de manière typique, des centaines et des milliers de ces cellules en alvéole reliées les unes aux autres. Pour les besoins de l'illustration, trois cellules seulement sont représentées, étant bien entendu que le reste des cellules en alvéole reliées les unes aux autres qui forment, de manière typique, une structure alvéolaire n'est pas représenté.
Les cellules en alvéole 12, 14 et 16 sont formées par une pluralité de parois 18 reliées les unes aux autres. Les cellules en alvéole ont une direction dans le sens de la longueur qui est transversale par rapport aux parois 18 des alvéoles et est représentée par L dans la Figure 1. Les cellules en alvéole ont également une direction dans le sens de l'épaisseur qui est parallèle aux parois 18‘ et est représentée par T dans la Figure 1. Selon la présente invention, une pluralité de fibres de carbone à base de brai sont imprégnées dans la matrice de résine, de manière à s'étendre essentiellement dans la direction de l'épaisseur T. L'orientation des fibres de carbone à base de brai dans la structure alvéolaire 10 est représentée par des lignes verticales 20 qui s'étendent parallèlement à la direction T. L'orientation des fibres à base de brai 20 dans une direction essentiellement parallèle à la direction de l'épaisseur permet une augmentation de la conductance thermique à travers la structure alvéolaire et permet d'avoir un transfert thermique dirigé dans la direction T. Une portion de la paroi de cellule 18 est montrée en détail dans la Figure 2. La paroi de cellule 18 est faite d'une couche de tissu et de résine cuite. La couche de tissu inclut des fibres non-métalliques 22 qui sont représentées suivant un dessin tissé-uni classique. Les fibres 22 peuvent être n'importe lesquelles des fibres de basse conductivité mentionnées précédemment. On privilégie les fibres de carbones à base de polyacrylonitrile. Les fibres de carbone à base de polyacrylonitrile peuvent être tissées suivant n'importe lequel des dessins d'armure classiques, avec une préférence pour un nombre de 500 à 3000 fibres par câble. Les fibres individuelles utilisées dans chacun des câbles ont, de préférence, des diamètres compris entre à peu près 5 et 9 microns.
Le dessin d'armure particulier, la taille des fibres et la taille des câbles peuvent varier dans une large mesure en fonction de la résistance de construction et du poids nécessaires pour la structure alvéolaire. La formation de structures alvéolaires à partir de fibres de carbone à base de polyacrylonitrile imprégnées de résine est bien connue dans le métier. Dans cette première exécution privilégiée, les fibres de carbone à base de brai 20 sont entrelacées avec les fibres de basse conductivité thermique 22 pour donner un dessin unidirectionnel des fibres de carbone à base de brai de haute conductivité thermique.
Les fibres de carbone à base de brai peuvent être n'importe quelles fibres de carbone à base de brai disponibles dans le commerce. On peut se procurer ces fibres auprès d'établissements tels que AMOCO, sous la marque de commerce THORNEL CARBON FIBER. Les fibres de carbone à base de brai devront avoir une conductivité thermique dont l'ordre de grandeur va de 200 watts/m K à environ 1200 watts/m K. Les fibres de carbone individuelles à base de brai ont, de manière caractéristique, des diamètres compris entre à peu près 7 microns et à peu près 11 microns, et les câbles qui sont tissés dans le tissu comprennent de 500 à 2000 fibres chacun. On privilégie les fibres à base de brai identifiées par la référence P120 et par P75, les fibres K950 et K1100 étant également acceptables.
La quantité de fibres de carbone à base de brai qui sont tissées dans le tissu contenant des fibres de carbone à base de polyacrylonitrile peut varier en fonction du degré de conductance thermique requis. De manière caractéristique, une quantité allant d'à peu près 1 pour-cent en poids à environ 90 pour-cent en poids de fibres de carbone à base de brai (sur la base du poids total du matériau composite cuit) apporte une augmentation sensible de la conductivité thermique tout en préservant les caractéristiques de grande résistance et de légèreté du matériau composite.
Une seconde structure alvéolaire privilégiée est repérée par le numéro de référence 30 dans la Figure 3. Là encore, seulement trois cellules 32, 34 et 36 d'une structure alvéolaire plus large sont représentées. La structure alvéolaire est fondamentalement la même que la structure alvéolaire non-métallique représentée dans les Figures 1 et 2, à l’exception du fait que les fibres de carbone à base de brai sont orientées dans la direction de la longueur de la structure alvéolaire 30. L'orientation des fibres de carbone à base de brai est représentée par les lignes 38. Dans cette exécution, le transfert de chaleur à travers la structure alvéolaire 30 est maximisé dans la direction L. Comme on le voit d'après la structure montrée dans les Figures 1 et 3, la présente invention fournit la faculté de contrôler la conductance thermique à travers les structures alvéolaires soit dans la direction de l'épaisseur, soit dans la direction de la longueur.
Une vue détaillée de l’une des parois 40 de cellule en alvéole de la Figure 3 est montrée dans la Figure 4. Les parois de cellule 40, comme les parois de cellule 18 décrites précédemment, comprennent un tissu fait de fibres de carbone à base de polyacrylonitrile 42 enrobées dans une résine polyester.
Les fibres de carbone à base de brai de haute conductivité thermique 38 sont orientées de manière à ce que, pendant la fabrication des alvéoles, les fibres 38 s'étendent uniformément dans la direction de la longueur de la structure alvéolaire. Le même matériau tissé incluant les fibres de carbone à base de brai de haute conductivité peut, si on le souhaite, être utilisé dans la fabrication de la structure alvéolaire de la Figure 1 ou de la Figure 3. Dans la première exécution, la couche de tissu imprégnée est orientée, pendant le processus de fabrication, de manière à ce que les fibres de carbone à base de brai 20 s'étendent dans la direction de l’épaisseur dans la structure alvéolaire finale cuite. Le même tissu peut subir une rotation à 90 pendant le processus de fabrication, de manière à ce que ces même fibres à base de brai s étendent dans la direction de la longueur, comme on le voit dans les Figures 3 et 4.
Une troisième structure alvéolaire typique privilégiée selon la présente invention est repérée, de manière générale, par le numéro de référence 50 dans la Figure 5. Les trois cellules en alvéole 52, 54 et 56, comme les exécutions décrites précédemment, ne constituent qu'une petite partie qui est représentative de l'ensemble d'une structure alvéolaire comprenant des centaines ou des milliers de cellules. La structure alvéolaire 50 est réalisée à l'aide de la même méthode classique de fabrication utilisée pour fabriquer les première et seconde exécutions des structures alvéolaires.
La principale différence entre cette troisième exécution des alvéoles et les exécutions précédentes réside dans le fait que le tissu utilisé pour former les parois de cellule 58 inclut des fibres de carbone à base de brai qui sont orientées en formant des angles mesurant plus ou moins de 45 par rapport à la direction de la longueur L et à la direction de l'épaisseur T. Lorientation des fibres à base de brai est représentée par les lignes 60. Une vue détaillée du dessin d'armure pour la paroi d'alvéole imprégnée de résine est montrée dans la Figure 6. Le dessin d'armure pour les fibres de carbone à base de polyacrylonitrile est le même que dans les exécutions précédentes. Cependant, comme on l’a mentionné précédemment, une grande variété de dessins de tissage utilisant diverses fibres non-métalliques de basse conductivité thermique peut être utilisée. Dans cette exécution, les fibres de carbone à base de brai sont orientées suivant un dessin d'armure bidirectionnel afin de permettre un transfert de chaleur à la fois dans les directions de la longueur et de l'épaisseur de la structure alvéolaire.
L'orientation des fibres à base de brai suivant un angle mesurant plus/moins de 45 , montrée dans la Figure 5, est une orientation privilégiée. D'autres angles maximums/minimums d'orientation des fibres sont possibles selon la présente invention. Par exemple, des angles maximums/minimums mesurant de 0 à 90 degrés sont possibles pour fournir à la structure alvéolaire une variété de combinaisons différentes de résistances de construction et de propriétés de transfert thermique. De même, les fibres à base de brai peuvent être orientées toutes dans une direction correspondant à un angle maximum compris entre 0 et 90 degrés, ou elles peuvent être orientées toutes suivant un angle minimum compris entre 0 et 90 degrés. Des mélanges de quantités variables de fibres orientées suivant des angles maximums et minimums peuvent être utilisés afin même de permettre un plus grand contrôle de la direction du transfert de chaleur à travers la structure alvéolaire.
Une quatrième structure alvéolaire typique privilégiée est repérée par le numéro de référence 70 dans la Figure 7. La structure alvéolaire 70 est identique à la structure alvéolaire montrée dans la Figure 1, à l'exception du fait que des feuilles plates 72 sont situées entre les feuilles ondulées qui forment la structure alvéolaire. Les feuilles plates 72 traversent la cellule par le milieu et fournissent un renforcement supplémentaire et un transfert de chaleur lorsqu'on le souhaite. Le tissu utilisé pour former les feuilles plates 72 peut être choisi parmi n'importe lesquels des matériaux composites non-métalliques utilisés pour former les parois des alvéoles.
Une paroi de cellule typique d'une cinquième structure alvéolaire typique privilégiée est repérée, de manière générale, par le numéro de référence 80 dans la Figure 8. Contrairement aux parois de cellule des Figures 1-6 décrites précédemment, la paroi de cellule 80 est formée d'une pluralité de couches de tissu unidirectionnelles non-métalliques 82, 84 et 86. Les couches 82 et 86 sont formées essentiellement de fibres de carbone de basse conductivité thermique à base de polyacrylonitrile orientées de manière unidirectionnelle. La couche 84 est formée essentiellement de fibres de carbone de haute conductivité thermique à base de brai orientées de manière unidirectionnelle. Les couches de tissu 82, 84 et 86 sont formées, de préférence, de bandes unidirectionnelles non-tissées.
Dans les couches de tissu 82 et 86, les fibres de carbone à base de polyacrylonitrile sont orientées en formant des angles mesurant à peu près plus et moins de 45 , respectivement, par rapport à la direction de la longueur L et à la direction de l'épaisseur T. Dans la couche de tissu 84, les fibres de carbone à base de brai sont orientées dans la direction de l'épaisseur T. L'orientation des fibres de carbone à base de brai est représentée par les lignes 88. L'orientation des fibres de carbone à base de polyacrylonitrile des couches 82 et 86 est représentée par les lignes 90 et 92.
Les fibres de carbone orientées de manière unidirectionnelle de chaque couche de tissu 82, 84 et 82 sont, de préférence, fixées dans leur position par rapport aux autres fibres de carbone de la même couche en utilisant un moyen classique de liaison ou de couture (non représenté).
Comme on le voit plus nettement dans les Figures 9 et 10, les couches de tissu 82, 84 et 86 prennent la forme de rubans d'alvéoles ondulés 94 qui comprennent les parois de cellule 80 de cellules en alvéole 96, 98 et 100.
Lorsque l'on forme les rubans d'alvéoles, on utilise une matrice de résiné pour lier les uns aux autres les côtés recto de couches de tissu adjacentes. Ensuite, les rubans d'alvéoles sont moulés de manière à leur donner une forme privilégiée, et ils sont cuits. Les couches de tissu 82, 84 et 86 subissent, de préférence, une imprégnation préalable avec une résine appropriée avant e feuilletage, le moulage et la cuisson. Une fois que les rubans ondules 94 sont formés les côtés recto de rubans ondulés adjacents 94 sont soudes en utilisant une résine privilégiée afin de former la structure alveolaire.
Comme pour l'exécution représentée dans les Figures 1 et 2, cette cinquième exécution privilégiée maximise le transfert de chaleur à travers la structure alvéolaire 80 dans la direction "Τ'. Cependant, avec les fibres de carbone a base de polyacrylonitrile orientées diagonalement par rapport a la direction de la longueur L et à la direction de l'épaisseur T, cette exécution présente des propriétés mécaniques différentes incluant une amélioration de la resistance au cisaillement par rapport à l'exécution montrée dans les Figures 1 et 2.
Tandis que l'orientation des fibres à base de polyacrylonitrile des couches tissu 82 et 84 suivant des angles mesurant plus et moins de 45 fournit une structure alvéolaire plus résistante aux sollicitations au cisaillement, d autres tissus contenant des fibres de carbone à base de polyacrylonitrile ayant des orientations de fibres différentes sont possibles selon la presente mventiom Par exemple, des angles maximums et/ou minimums mesurant de 0 a 90 possibles pour fournir une variété de combinaisons différentes de resistances deconstruction. , ,
Les caractéristiques de transfert de chaleur de l'exécution representee da les Figures 8-10 peuvent être changées, de manière similaire, en utilisant des tissus unidirectionnels comprenant des fibres de carbone a base de brai orientées de manière unidirectionnelle dans d'autres directions. Par exemple, en fournissant un tissu dans lequel les fibres à base de brai sont orientées de la façon qui est montrée dans la Figure 4, le transfert de chaleur a travers la structure alvéolaire sera maximisé dans la direction L .
Du fait que les fibres de carbone à base de bral ne sont pas complètement intégrées dans une couche de tissu comprenant des fibres de carbone a base de polyacrylonitrile, un nombre d'orientations différentes des fibres a base e bral par rapport aux fibres à base de polyacrylonitrile est possible. En conséquence, une structure alvéolaire peut être exécutée de maniéré a avoir des propriétés thermo-mécaniques étudiées pour etre adaptées a des scénarios spécifiques de charge du noyau, chaque application determinant le nombre de couches, les constituants et l'orientation de chaque couche, et le positionnement de chaque couche par rapport à d'autres couches.
Dans les applications où la structure alvéolaire est, de préférence, essentiellement non-poreuse, une couche non-métallique non-poreuse 102 peut être appliquée sur la surface extérieure de chaque ruban d'alvéole avant la cuisson et le moulage, comme le montre bien la Figure 11. Un stratifié extérieur privilégié est composé d'une natte comprenant des fibres de carbone à base de polyacrylonitrile de basse conductivité thermique orientées de manière aléatoire. Après l'imprégnation de la natte dans une matrice de résine et la cuisson, la natte faite de fibres de carbone est essentiellement non-poreuse, ce qui permet d’avoir une structure alvéolaire essentiellement non-poreuse. D'autres stratifiés extérieurs non-poreux non-métalliques qui peuvent être utilisés selon la présente invention sont bien connus dans le métier et incluent les films polymères et les nattes à fibres sèches.
Des exemples pratiques sont donnés ci-dessous : EXEMPLE 1
Une structure alvéolaire pourvue de parois présentant le dessin d'armure montré dans la Figure 1 a été fabriquée. Le tissu possédait les spécifications figurant dans le Tableau 1.
TABLEAU 1
Figure LU88739A1D00141
On s'est procuré les fibres au polyacrylonitrile T300 auprès de Toray. Le tissu a été imprégné avec 35 pour-cent en poids de résine d'acide polyamique et façonné de manière à donner la structure alvéolaire montrée dans la Figure 1 à l'aide des techniques de fabrication classiques. La structure alvéolaire résultante comprenait 36 pour-cent en poids de fibres de carbone à base de brai (P120) et avait une conductivité thermique nettement plus grande dans la direction "T" qu'une structure alvéolaire identique réalisée sans les fibres P120. La résistance de construction de la structure alvéolaire réalisée avec les fibres P120 était équivalente à la résistance de construction de la structure alvéolaire identique réalisée sans les fibres P120.
EXEMPLE 2
Une structure alvéolaire pourvue de parois présentant le dessin d'armure montré dans la Figure 5 a été fabriquée en utilisant le même tissu et la même résine que dans l'Exemple 1. La structure alvéolaire résultante avait une conductivité thermique nettement plus grande dans les directions T et L qu'une structure alvéolaire identique réalisée sans incorporer les fibres de carbone à base de brai orientées suivant des angles mesurant plus et moins de 45 . La résistance de construction de la structure alvéolaire comprenant les fibres à base de brai était équivalente à la structure alvéolaire identique ne comprenant pas de fibres à base de brai.
EXEMPLE 3
Une structure alvéolaire ayant la configuration montrée dans la Figure 7 a été fabriquée en utilisant le même procédé que dans l'Exemple 1. La couche de tissu que l'on a utilisée pour former la couche de renfort plate (72 dans la Figure 7) avait la spécification présentée dans le Tableau 2.
TABLEAU 2
Figure LU88739A1D00161
Le tissu utilisé pour former les parois des alvéoles incluait des fibres T300 - 3K, style 282 au polyacrylonitrile avec 10 pour-cent en poids de fibres de carbone à base de brai P120. La structure alvéolaire résultante avait une conductivité thermique nettement plus grande qu'une structure alvéolaire identique réalisée sans incorporer les fibres de carbone à base de brai.
Après cette description d’exécutions typiques de la présente invention, les gens du métier noteront que les exécutions décrites sont données seulement à titre d'exemple et que diverses autres alternatives, adaptations et modifications peuvent être réalisées en restant dans le champ de la présente invention. En conséquence, la présente invention n'est pas limitée aux executions spécifiques illustrées dans ces descriptions, mais elle est limitée uniquement par les revendications suivantes.

Claims (22)

95-194F PCT/US94/11372 On revendique :
1. Une structure alvéolaire non-métallique de haute conductivité thermique comprenant : une pluralité de parois reliées les unes aux autres qui définissent une pluralité de cellules en alvéole reliées les unes aux autres ayant une direction dans le sens de la longueur qui est transversale par rapport auxdites parois et une direction dans le sens de l'épaisseur qui est parallèle auxdites parois, lesdites parois de cellules comprenant : une première couche de tissu formée essentiellement de fibres non- métalliques ayant une haute conductivité thermique; une seconde couche de tissu formée essentiellement de fibres non- métalliques ayant une basse conductivité thermique; et une matrice de résine dans laquelle lesdites première et seconde couches de tissu sont imprégnées afin de fournir une structure alvéolaire; lesdites fibres de haute conductivité thermique étant orientées de manière à fournir une conductance thermique de direction contrôlée à travers ladite structure alvéolaire.
2. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 1, comprenant en outre une troisième couche de tissu formée essentiellement de fibres non-métalliques ayant une basse conductivité thermique, lesdites fibres de basse conductivité thermique étant imprégnées dans ladite matrice de résine.
3. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 2, dans laquelle : lesdites fibres de basse conductivité thermique comprenant ladite seconde couche de tissu s'étendent en formant un angle par rapport auxdites directions de la longueur et de l'épaisseur; et lesdites fibres de basse conductivité thermique comprenant ladite troisième couche de tissu s'étendent en formant un angle par rapport auxdites directions de la longueur et de l'épaisseur.
4. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 3, dans laquelle lesdites fibres de haute conductivité thermique comprenant ladite première couche de tissu s'étendent essentiellement dans ladite direction de l’épaisseur.
5. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 4, dans laquelle : lesdites fibres de basse conductivité thermique comprenant ladite seconde couche de tissu s'étendent en formant un angle de plus de 45 degrés par rapport auxdites directions de la longueur et de l'épaisseur; et lesdites fibres de basse conductivité thermique comprenant ladite troisième couche de tissu s'étendent en formant un angle de moins de 45 degrés par rapport auxdites directions de la longueur et de l'épaisseur.
6. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 1, dans laquelle lesdites fibres de haute conductivité thermique sont formées essentiellement de carbone à base de brai.
7. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 1, dans laquelle lesdites fibres de basse conductivité thermique sont sélectionnées dans le groupe composé de fibres de carbone à base de polyacrylonitrile, de fibres de verre, de fibres de polyaramide et de fibres de céramique.
8. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 7, dans laquelle lesdites fibres de basse conductivité thermique sont formées essentiellement de carbone à base de polyacrylonitrile.
9. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 1, comprenant en outre un moyen pour contrôler la porosité de ladite structure alvéolaire.
10. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 9, dans laquelle ledit moyen de contrôle de la porosité comprend une couche non-métallique essentiellement non-poreuse prévue sur l'extérieur desdites parois de cellules.
11. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 1, dans laquelle ladite couche non-métallique essentiellement non-poreuse comprend une pluralité de fibres de basse conductivité thermique orientées de manière multidirectionnelle imprégnées dans ladite matrice de résine.
12. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 11, dans laquelle ladite couche non-métallique essentiellement non-poreuse comprend une pluralité de fibres non-métalliques de basse conductivité thermique orientées de manière aléatoire.
13. Structure alvéolaire non-métallique de haute conductivité thermique comprenant : une pluralité de parois reliées les unes aux autres qui définissent une pluralité de cellules en alvéole reliées les unes aux autres ayant une direction dans le sens de la longueur qui est transversale par rapport auxdites parois et une direction dans le sens de l'épaisseur qui est parallèle auxdites parois, lesdites parois de cellules comprenant : une première couche de tissu unidirectionnelle formée essentiellement de fibres non-métalliques orientées de manière unidirectionnelle ayant une haute conductivité thermique; une seconde couche de tissu unidirectionnelle formée essentiellement de fibres non-métalliques orientées de manière unidirectionnelle ayant une basse conductivité thermique; et une matrice de résine dans laquelle lesdites première et seconde couches de tissu sont imprégnées afin de fournir une structure alvéolaire.
14. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 13, comprenant en outre une troisième couche de tissu unidirectionnelle formée essentiellement de fibres non-métalliques orientées de manière unidirectionnelle ayant une basse conductivité thermique, ladite troisième couche de tissu unidirectionnelle étant imprégnée dans ladite matrice de résine.
15. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 14, dans laquelle : lesdites fibres de basse conductivité thermique comprenant ladite seconde couche de tissu unidirectionnelle s'étendent en formant un premier angle par rapport à ladite direction de l'épaisseur; et lesdites fibres de basse conductivité thermique comprenant ladite troisième couche de tissu unidirectionnelle s'étendent en formant un second angle par rapport à ladite direction de l'épaisseur.
16. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 15, dans laquelle lesdites fibres de haute conductivité thermique comprenant ladite première couche de tissu s'étendent essentiellement dans ladite direction de l'épaisseur.
17. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 16, dans laquelle : lesdites fibres de basse conductivité thermique comprenant ladite seconde couche de tissu unidirectionnelle s'étendent en formant un angle de plus de 45 degrés par rapport à ladite direction de l'épaisseur; et lesdites fibres de basse conductivité thermique comprenant ladite troisième couche de tissu unidirectionnelle s'étendent en formant un angle de moins de 45 degrés par rapport à ladite direction de l'épaisseur.
18. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 13, comprenant en outre un moyen pour contrôler la porosité de ladite structure alvéolaire.
19. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 18, dans laquelle ledit moyen de contrôle de la porosité comprend une couche non-métallique essentiellement non-poreuse prévue sur l'extérieur desdites parois de cellules.
20. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 19, dans laquelle ladite couche non-métallique essentiellement non-poreuse comprend une pluralité de fibres de basse conductivité thermique orientées de manière multidirectionnelle imprégnées dans ladite matrice de résine.
21. Structure alvéolaire thermiquement conductrice selon la revendication 20, dans laquelle ladite couche non-métallique essentiellement non-poreuse comprend une pluralité de fibres non-métalliques de basse conductivité thermique orientées de manière aléatoire.
22. Structure alvéolaire non-métallique comprenant une pluralité de parois reliées les unes aux autres qui définissent une pluralité de cellules en alvéole reliées les unes aux autres ayant une direction dans le sens de la longueur qui est transversale par rapport auxdites parois et une direction dans le sens de l'épaisseur qui est parallèle auxdites parois, lesdites parois de cellules comprenant une pluralité de fibres non-métalliques ayant une basse conductivité thermique qui sont imprégnées dans une matrice de résine, le perfectionnement comprenant une première couche de tissu unidirectionnelle formée essentiellement de fibres non-métalliques orientées de manière unidirectionnelle ayant une basse conductivité thermique, et une seconde couche de tissu unidirectionnelle formée essentiellement de fibres non-métalliques orientées de manière unidirectionnelle ayant une haute conductivité thermique.
LU88739A 1993-10-14 1996-04-10 Structure alvéolaire non-métallique de haute conductivité thermique à parois de cellules stratifiées LU88739A1 (fr)

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