WO2010069944A1 - Structure en matériau composite protégée des effets de la foudre - Google Patents

Structure en matériau composite protégée des effets de la foudre Download PDF

Info

Publication number
WO2010069944A1
WO2010069944A1 PCT/EP2009/067154 EP2009067154W WO2010069944A1 WO 2010069944 A1 WO2010069944 A1 WO 2010069944A1 EP 2009067154 W EP2009067154 W EP 2009067154W WO 2010069944 A1 WO2010069944 A1 WO 2010069944A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
network
layer
electrically conductive
paint
composite material
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/067154
Other languages
English (en)
Inventor
Yohann Duval
Marie-Paule Guillou
Franck Uhlig
Original Assignee
European Aeronautic Defence And Space Company Eads France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by European Aeronautic Defence And Space Company Eads France filed Critical European Aeronautic Defence And Space Company Eads France
Priority to US13/139,633 priority Critical patent/US20110318981A1/en
Priority to EP09771378A priority patent/EP2377380A1/fr
Publication of WO2010069944A1 publication Critical patent/WO2010069944A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K9/00—Screening of apparatus or components against electric or magnetic fields
    • H05K9/0073—Shielding materials
    • H05K9/0081—Electromagnetic shielding materials, e.g. EMI, RFI shielding
    • H05K9/0086—Electromagnetic shielding materials, e.g. EMI, RFI shielding comprising a single discontinuous metallic layer on an electrically insulating supporting structure, e.g. metal grid, perforated metal foil, film, aggregated flakes, sintering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D45/00—Aircraft indicators or protectors not otherwise provided for
    • B64D45/02—Lightning protectors; Static dischargers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K9/00—Screening of apparatus or components against electric or magnetic fields
    • H05K9/0073—Shielding materials
    • H05K9/0079—Electrostatic discharge protection, e.g. ESD treated surface for rapid dissipation of charges
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T442/00—Fabric [woven, knitted, or nonwoven textile or cloth, etc.]
    • Y10T442/10—Scrim [e.g., open net or mesh, gauze, loose or open weave or knit, etc.]

Definitions

  • the present invention belongs to the field of structures made with composite materials. More particularly, the invention relates to structures made of composite materials that are non-electrically conductive or weakly conductive and that may be subjected during their use to lightning strikes.
  • the invention relates in particular to composite material structures for aircraft.
  • the family of composites comprising fibers of a mineral material (glass, silica, carbon %) or organic (aramid, Kevlar® ”) held in a hard organic matrix (polyester, epoxy %) is widely used for the realization of structures because of their mechanical performance, in particular their resistance to mass, and or because of their ability to produce complex shapes.
  • a first known technique is to place on the surface of the composite material part of the conductive bands more or less spaced connected by at least one of their ends to a general mass of the aircraft.
  • surge arresters is advantageously implemented on aircraft radomes but its construction is delicate and has the defect of not protecting the entire surface of the part, particularly when the radio transparency is not sought.
  • a second known technique is to cover the entire surface to be protected from the composite material structure by a mesh made of an electrically conductive metallic material.
  • a mesh made of an electrically conductive metallic material.
  • Such a grid is most often made of bronze or copper, in particular because of the electrical conductivity characteristics of these materials and for reasons of resistance to corrosion, either by a conventional method of weaving wires or by a method of drawing from a plate prepared to obtain a grid by deployment.
  • These grids are deposited on the surface of the part according to various techniques, for example deposited on the surface of the part being produced before a curing cure by polymerization of the matrix of the composite material.
  • the gratings Due to the intensities associated with lightning strikes, particularly near the point of the structure at which the impact occurs, the gratings must have sufficient conducting sections which lead to heavy fences (generally 150 at 300 g / m2 on an aircraft structure, ie of the order of 1000 kg for the protection of a fuselage of a long-haul aircraft) and secondly that deteriorate the surface state of the aircraft. structure thus treated whose aerodynamic appearance and aesthetic appearance require to be preserved a primer layer of sufficient thickness and a layer of paint finish of about 100 microns (E10-4 m) sources of penalties in terms of costs and mass.
  • the present invention specifically aims to define a structure of composite material effectively protected against the effects of lightning, and which avoids accumulations of electrical charges on its surface, with a reduced mass penalty compared to known performance solutions at least equivalent to protection against the effects of lightning strikes.
  • the protected part comprises a structural part of electrically insulating or weakly conductive composite material such as parts made from mineral or organic fibers, for example glass fibers, aramid fibers or carbon fibers, maintained in a hard organic matrix, epoxy for example.
  • electrically insulating or weakly conductive composite material such as parts made from mineral or organic fibers, for example glass fibers, aramid fibers or carbon fibers, maintained in a hard organic matrix, epoxy for example.
  • the part On the surface of the structural part, at least on the side of the part likely to be subjected to accumulations of electric charges or to lightning strikes, the part is covered, at least in the areas to be protected, by a network made with an electrically conductive material, fixed directly on the surface of the structural part, and comprises a layer of electrically conductive paint deposited in such a way that the network is situated between the structural part made of composite material and the layer of electrically conductive paint.
  • the paint forms a continuous conductive layer that disperses the foot of the arc during a lightning strike and ensures the passage of lightning current in the conductor network with decreased current densities compared to a situation in which lightning strikes directly the conductive network, even through a layer of insulating paint covering the conductive network. It is thus possible to reduce the areal density of the network of electrically conductive material compared with conventional metallization using this type of network.
  • the part comprises, if necessary, between the network and the layer of electrically conductive paint, a layer of primer and or protective primer of the network, this layer of primer filling in particular hollow volumes that may remain between the conductive parts of the network after laying the network on the structural part.
  • the grating is advantageously made by means of a metal grid made of bronze, copper or a copper-based alloy, or else aluminum or an aluminum alloy. aluminum-based alloy.
  • the implementation of the invention limits the amount of metal used to form the conductive network.
  • the composite structure is satisfactorily protected against the effects of lightning with a surface density of the conducting network of between 30 and 100 g / m 2 and preferably a surface density of 70 ⁇ 10 g / m2, or on average a mass penalty dedicated to the metallization of composite structures two to three times lower for metallization performance equivalent or less. Effective protection is achieved particularly when the electrical conductivity of the electrically conductive paint layer is at least 0.0001 Siemens / m.
  • the protected surface is covered with a layer of paint finish whose thickness is preferably 20 ⁇ 5 microns on average.
  • FIG. 2a a photograph of a section of a test specimen (micro-section) of FIG. 2a showing the different layers on the side of a protected surface of the following composite material the invention;
  • FIG. 2b a photograph of the protected surface of the test specimen having undergone a lightning strike.
  • a component 1 of composite material structure according to the invention mainly comprises a structural portion 2 of Es structural thickness comprising inorganic or organic fibers held in an organic hard matrix.
  • Figure 1 shows a locally flat part for illustration without this character being limiting of the invention.
  • Such a structure is known in particular in aeronautical applications for which a structural strength to favorable structural mass ratio is sought.
  • a structure comprises stacked folds of glass fibers, kevlar® or carbon, woven or unidirectional, held in a matrix of a polymeric material such as an aramid.
  • the structure comprises in its thickness Es a cellular structure, foam or honeycomb for example, between two coatings made by fibers held in a matrix, such a structure having externally similar properties screws to electrical problems related to lightning that a composite material structure without alveolar core.
  • the structure is shaped according to the shape of the part during a forming process before curing by polymerization of the matrix material, in the case of so-called thermosetting matrices, or during a forming process at a time. temperature for which the matrix is in a plastic state, in the case of thermoplastic matrices.
  • a part comprises metal parts (not shown) and or bores (not shown), in particular for Fixing needs of the part 1.
  • such a part is for example a so-called structural part subjected to significant efforts, of the same order under conditions of use as the structural strength of the part, for example an aircraft fuselage or wing panel, or a so-called secondary part such as a fairing, for example a connecting fairing between the wing and the fuselage of an aircraft.
  • the part 1 further comprises, on a surface 21, said outer surface, the structural portion 2 on one side of said part on which electrical charges are likely to accumulate and or an electric arc, particularly related to lightning , is likely to occur, a layer 3 of so-called metallization surface.
  • the surface, or part of the surface, of the part 1 on the side of which is said metallization layer 3 is said protected surface.
  • it corresponds in particular to the surface of the part of an outer side of the aircraft, that is to say the surface subject to aerodynamic flow.
  • the metallization layer 3 itself comprises on the one hand a first conductive layer 31 formed by an electrically conductive network covering the outer surface 21 of the protected structural part of the workpiece and fixed directly on said outer surface and on the other hand a second conductive layer 32 formed by an electrically conductive paint covering the first conductive layer 31.
  • the outer surface 21 is not necessarily completely covered by the metallization, certain area not or little exposed to the risk of lightning that may not be metallized or metallized by other means, the description being limited to a portion of the outer surface 21 metallized according to the principle of the invention.
  • Electrically conductive paints are generally known and consist for example of paints loaded with conductive particles.
  • the second layer 32 of conductive paint does not guarantee sufficient conduction to dissipate lightning currents in the event of a lightning strike, but said second conductive paint layer due to its low local surface resistance ensures a dispersion of arc of the lightning around the point of impact sufficient to distribute the current on a surface such that surface densities of current are reduced on the protected surface.
  • an electrically conductive paint having electrical conductivity equal to or greater than 0.0001 Siemens / m is selected.
  • the lightning current is able to be efficiently dispersed by the first conductive layer 31 without the need to produce an electrically conductive network as dense as in conventional protection, the network electrically conductive, the role of which is to discharge the electric charges and to conduct the electric currents generated by the lightning arc, being consequently no longer subject to the current densities as high as in the conventional metallization principles implementing a conductive network.
  • the network is lightened by being made with finer electrically conductive wires and or with a network mesh less tight.
  • the network is for example made by weaving conductive son or by a process of stretching and deployment of a conductive sheet in which have previously been made notches.
  • the network is made of conductive metal with a surface density of between 30 and 100 g / m 2, preferably 70 ⁇ 10 g / m 2, a density as low as 30 g / m 2 having been demonstrated to be effective.
  • the network of the first conductive layer 31 is attached directly to the outer surface 21 of the structural layer 2 without the use of an intermediate separator such as a sheet material, similarly to the bronze screens used for metallizing the composite panel surfaces in the aeronautical manufactures.
  • One method consists, when the structure of the composite material part has been made, to bond the network on the outer surface 21 by means of a resin compatible with the composite material of the part 1. This method adds a step during the production of the piece, a step that is performed on a hard piece and shaped close to its final shape.
  • Another method is to place the network during a step of producing the part by considering the network as an outer fold of the composite material structure placed at the outer surface 21. If the part is made with a resin cured during a heat polymerization step (a firing of the thermosetting matrix), the network is deposited on the piece on the side of the outer surface before the firing step and is fixed on the outer surface of the piece during the firing step in which the folds of the composite material are compressed in known manner against each other.
  • the network is placed on the part, before or after forming, on the outer surface 21 and adheres to the part on said outer surface under the effect of a pressure applied when the
  • the temperature of the resin corresponds to the temperature at which the resin is brought into a plastic state either simultaneously with a step of forming and compacting the thermoplastic plies, or during a subsequent separate step.
  • a primer layer 33 is deposited on the first electrically conductive layer 31 to prepare the bonding of the conductive paint layer 32 and especially when the protected surface is visible, an outer topcoat 34 by a conventional paint provides protection of the electrically conductive paint, an improved final surface finish and decoration of the structure.
  • the thickness of the layer 34 of exterior finishing paint is reduced to a minimum, advantageously of the order of 20 ⁇ m, typically 20 ⁇ 5 ⁇ m on average, which is made possible by the layer of electrically conductive paint 32 which also has the physico-chemical behavior of a paint.
  • the layer 34 of finishing paint can be insulating, said layer being traversed by the lightning currents near the point of impact of the lightning and, because its small thickness has reduced strength compared to a conventional paint of the order of five times thicker.
  • the cumulative thicknesses of the second conductive paint layer 32 and the outer finish paint layer 34 are less than or substantially equal to the thickness of a conventional paint protection and finishing layer, ie approximately 100 ⁇ 20 ⁇ m on average.
  • Figures 2a and 2b illustrate the effectiveness of the invention which has been demonstrated in lightning tests on specimens.
  • FIG. 2a which is a photograph with a large magnification of a micro-section of the specimen on the side of the protected surface of the composite material
  • the network of electrically conductive material 31 appears in section as a discontinuous layer (in clear on micro-cutting), and it can it is easy to identify the conductive paint 32 and the finishing paint 34, as well as the plies of the composite material 2 closest to the considered surface, well differentiated on the micro-cut due to the different orientation of the fibers of each fold.
  • Figure 2b shows the surface of the specimen representative of the piece
  • the conductive material of the network 32 has traces of evaporation on a reduced surface and the conductive paint layer 32 is evaporated about 200 mm, the diameter of the area 41 surrounded by a dashed circle in Figure 2a.
  • the protection is implemented by conventional techniques of laying metal networks on a composite structure and of paints without the need to resort to complex protection arrangements using intermediate layers of little interest. vis of their effect on lightning currents.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Elimination Of Static Electricity (AREA)

Abstract

Une pièce (1) comportant une partie structurale en matériau composite (2) électriquement isolant ou bien faiblement conducteur telle qu'une pièce à base de fibres de verre ou de fibres de carbone est protégée contre les accumulations de charges électriques et ou les impacts de foudre par une métallisation de la surface devant être protégée. La métallisation comporte un grillage (31) d'un matériau électriquement conducteur recouvert d'une couche de peinture électriquement conductrice (32). Une couche d'apprêt et de primaire (33) est également prévue entre le grillage et la peinture conductrice ainsi qu'une peinture de finition recouvrant la peinture conductrice (32). L'ensemble conduit à une protection performante vis à vis des impacts de foudre avec une masse réduite par rapport aux métallisations conventionnelles par grillage métallique.

Description

STRUCTURE EN MATÉRIAU COMPOSITE PROTÉGÉE DES EFFETS DE LA FOUDRE
La présente invention appartient au domaine des structures réalisées avec des matériaux composites. Plus particulièrement l'invention concerne des structures réalisées dans des matériaux composites non électriquement conducteurs ou faiblement conducteurs et susceptibles d'être soumis lors de leur utilisation à des impacts de foudre.
L'invention concerne en particulier des structures en matériau composite pour aéronefs.
Parmi les nombreuses familles de matériaux composites, la famille des composites comportant des fibres d'un matériau minéral (verre, silice, carbone...) ou organique (aramide, Kevlar® ...) maintenues dans une matrice organique dure (polyester, époxy ...) est largement mise en œuvre pour la réalisation de structures en raison de leurs performances mécaniques, en particulier leurs résistances par rapport à la masse, et ou en raison de leurs possibilités de réaliser des formes complexes. Ces caractéristiques et avantages sont particulièrement appréciés pour la fabrication des aéronefs et par matériau composite il convient de comprendre dans la présente demande les matériaux composites de cette famille des matériaux comportant des fibres minérales ou organiques maintenues dans une matrice organique dure. Lorsque des matériaux composites sont mis en œuvre pour réaliser des structures d'un aéronef soumises à l'écoulement aérodynamique externe de l'aéronef, des charges électriques ont tendance à s'accumuler naturellement à la surface du matériau en raison de la nature isolante ou faiblement conductrice électriquement de ces matériaux. En absence de précautions particulières ces charges sont évacuées dans l'air ambiant, lorsque les différences de potentiel électrique sont localement suffisantes en raison des charges électriques accumulées, sous la forme de décharges électriques qui génèrent des perturbations électromagnétiques susceptibles de perturber le fonctionnement des systèmes électroniques de l'aéronef.
En outre les aéronefs en vol sont fréquemment soumis à des impacts de foudre dont l'énergie électrique est suffisante pour provoquer un endommagement local de la structure, endommagement qui doit être évité pour des raisons évidentes d'intégrité de l'aéronef et pour des raisons de sécurité lorsque les structures concernées sont des structures devant résister à des efforts importants, dites structures travaillantes. Pour ces raisons, il est connu de rendre électriquement conducteur les structures en matériau composite sur une surface de ces structures soumise à l'écoulement aérodynamique et qui est également la surface susceptible d'être soumise à des impacts de foudre.
Pour rendre électriquement conductrice en surface une structure en matériau composite intrinsèquement isolante ou faiblement conductrice, il est connu de placer sur la surface devant être rendue conductrice des éléments métalliques conducteurs de l'électricité, ces éléments métalliques conducteurs étant reliés entre eux d'une pièce en matériau composite à une autre pièce en matériau composite ou étant reliés à une structure métallique conductrice. Une première technique connue consiste à placer sur la surface de la pièce en matériau composite des bandes métalliques conductrices plus ou moins espacées reliées, par au moins une de leurs extrémités, à une masse générale de l'aéronef.
L'avantage de cette solution est qu'elle permet de limiter la surface couverte par le matériau conducteur tout en permettant de disposer de sections conductrices significatives pour conduire les courants de foudre et donc de conserver pour la structure en matériau composite ainsi métallisée une transparence radioélectrique élevée.
Une telle solution de bandes dites parafoudres est avantageusement mise en œuvre sur des radômes d'avion mais sa réalisation est délicate et présente le défaut de ne pas protéger toute la surface de la pièce en particulier lorsque la transparence radioélectrique n'est pas recherchée.
Une seconde technique connue consiste à recouvrir toute la surface à protéger de la structure en matériau composite par un grillage réalisé dans un matériau métallique conducteur électrique. Un tel grillage est réalisé le plus souvent en bronze ou en cuivre, en particulier en raison des caractéristiques de conductivité électrique de ces matériaux et pour des raisons de tenue à la corrosion, soit par un procédé conventionnel de tissage de fils soit par un procédé d'étirage à partir d'une plaque préparée pour obtenir un grillage par déploiement. Ces grillages sont déposés sur la surface de la pièce suivant différentes techniques, par exemple déposés à la surface de la pièce en cours de réalisation avant une cure de durcissement par polymérisation de la matrice du matériau composite.
En raison des intensités associées aux impacts de foudre en particulier à proximité du point de la structure au niveau duquel se produit l'impact, les grillages doivent présenter des sections conductrices suffisantes qui conduisent à des grillages d'une part lourds (en général de 150 à 300 g/m2 sur une structure d'aéronef, soit de l'ordre de 1000 kg pour la protection d'un fuselage d'un avion long courrier gros porteur) et d'autre part qui détériorent l'état de surface de la structure ainsi traitée dont l'aspect aérodynamique et l'aspect esthétique nécessitent pour être préservés une couche d'apprêt d'épaisseur suffisante et une couche de peinture de finition d'environ 100 μm (E10-4 m) sources de pénalités en termes de coûts et de masse.
En outre de tels grillages, relativement rigides, présentent l'inconvénient d'une mise en œuvre complexe, en particulier en raison des formes des structures à recouvrir et d'interférences avec les processus de fabrication du matériau composite.
La présente invention a précisément pour objectif de définir une structure en matériau composite protégée efficacement contre les effets de la foudre, et qui évite les accumulations de charges électriques à sa surface, avec une pénalité de masse réduite par rapport aux solutions connues de performances au moins équivalentes vis à vis de la protection contre les effets des impacts de foudre.
Suivant l'invention la pièce protégée comporte une partie structurale en matériau composite électriquement isolant ou faiblement conducteur telles que les pièces réalisées à partir de fibres minérales ou organiques, par exemple de fibres de verre, de fibres aramide ou de fibres de carbone, maintenues dans une matrice organique dure, époxy par exemple.
Sur la surface de la partie structurale, au moins du côté de la pièce susceptible d'être soumise à des accumulations de charges électriques ou à des impacts de foudre, la pièce est recouverte, au moins dans les zones devant être protégées, par un réseau réalisé avec un matériau électriquement conducteur, fixé directement sur la surface de la partie structurale, et comporte une couche de peinture électriquement conductrice déposée de façon telle que le réseau est situé entre la partie structurale en matériau composite et la couche de peinture électriquement conductrice. La peinture forme une couche conductrice continue qui permet de disperser le pied d'arc lors d'un impact de foudre et assure le passage du courant de foudre dans le réseau conducteur avec des densités de courant diminuées comparativement à une situation dans laquelle la foudre frappe directement le réseau conducteur, même en traversant une couche de peinture isolante recouvrant le réseau conducteur. Il est ainsi possible de réduire la densité surfacique du réseau en matériau électriquement conducteur par rapport au métalisation conventionnelles mettant en oeuvre ce type de réseau.
Pour améliorer l'état de surface final de la pièce et protéger le réseau, la pièce comporte si besoin, entre le réseau et la couche de peinture électriquement conductrice, une couche d'apprêt et ou de primaire de protection du réseau, cette couche d'apprêt remplissant notamment les volumes en creux pouvant subsister entre les parties conductrices du réseau après la pose du réseau sur la partie structurale.
En raison de leurs bonnes caractéristiques de conduction électrique, le réseau est avantageusement réalisé au moyen d'un grillage métallique en bronze, en cuivre ou en un alliage à base de cuivre, ou encore en aluminium ou en un alliage à base d'aluminium.
La mise en œuvre de l'invention permet de limiter la quantité de métal utilisée pour former le réseau conducteur. En pratique pour une structure d'aéronef, la structure composite est protégée de manière satisfaisante contre les effets de la foudre avec une densité surfacique du réseau conducteur comprise entre 30 et 100 g/m2 et de préférence une densité surfacique de 70 ± 10 g/m2, soit en moyenne une pénalité de masse consacrée à la métallisation des structures en composite deux à trois fois plus faible pour une métallisation de performance équivalente, voire moins. Une protection efficace est obtenue en particulier lorsque la conductivité électrique de la couche de peinture électriquement conductrice est au moins de 0,0001 Siemens/m.
Pour protéger la peinture électriquement conductrice et obtenir l'état de surface souhaité la surface protégée est recouverte d'une couche de peinture de finition dont l'épaisseur est de préférence de 20 ± 5 μm en moyenne.
La sélection de caractéristiques de conduction adaptées pour le réseau conducteur et pour la peinture électriquement conductrice permet de réaliser une couche de peinture dont l'épaisseur cumulée de la couche de peinture électriquement conductrice et de la couche de peinture de finition est sensiblement identique à une couche de peinture de protection unique c'est à dire de 100 ± 20 μm en moyenne et donc ne pénalise pas le produit réalisé en particulier en masse de peinture.
La description détaillée d'exemples de réalisation de l'invention est faite en référence aux figures qui représentent :
- figure 1 : schématiquement sur une section en vue perspective partiellement écorchée les différentes couches formant une pièce en matériau composite suivant l'invention ;
- figure 2a : une photographie d'une section d'une éprouvette d'essai (micro-coupe) de la figure 2a montrant les différentes couches du côté d'une surface protégée du matériau composite suivant l'invention ;
- figure 2b : une photographie de la surface protégée de l'éprouvette d'essai ayant subi un impact de foudre.
Une pièce 1 de structure en matériau composite suivant l'invention comporte principalement une partie structurale 2 d'épaisseur structurale Es comportant des fibres minérales ou organiques maintenues dans une matrice dure organique.
Une partie d'une telle pièce de structure est représentée sur la figure 1. La figure 1 présente une pièce localement plane à titre d'illustration sans que ce caractère soit limitatif de l'invention.
Une telle structure est connue en particulier dans les applications aéronautiques pour lesquelles un rapport résistance structurale sur masse de structure favorable est recherché. Par exemple une telle structure comporte des plis empilés de fibres de verre, kevlar® ou carbone, tissées ou unidirectionnelles, maintenues dans une matrice d'un matériau polymère tel qu'une aramide.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, la structure comporte dans son épaisseur Es une structure alvéolaire, mousse ou nid d'abeille par exemple, entre deux revêtements réalisés par des fibres maintenues dans une matrice, une telle structure ayant extérieurement des propriétés similaires vis à vis des problèmes électriques liés à la foudre qu'une structure en matériau composite sans âme alvéolaire.
De manière également connue, la structure est conformée à la forme de la pièce au cours d'un processus de formage avant durcissement par polymérisation du matériau de la matrice, cas des matrices dite thermodurcissables, ou au cours d'un processus de formage à une température pour laquelle la matrice est dans un état plastique, cas des matrices thermoplastiques. Suivant les cas une telle pièce comporte des parties métalliques (non représentées) et ou des perçages (non représentés) en particulier pour des besoins de fixation de la pièce 1.
Suivant sa destination, une telle pièce est par exemple une pièce dite structurale soumise à des efforts importants, du même ordre en conditions limites d'utilisation que la résistance structurale de la pièce, par exemple un panneau de fuselage ou de voilure d'avion, ou bien une pièce dite secondaire telle qu'un carénage, par exemple un carénage de raccordement entre l'aile et le fuselage d'un avion.
La pièce 1 comporte en outre, sur une surface 21, dite surface extérieure, de la partie structurale 2 d'un coté de ladite pièce sur lequel des charges électriques sont susceptibles de s'accumuler et ou un arc électrique, notamment lié à la foudre, est susceptible de se produire, une couche 3 de surface dite de métallisation.
La surface, ou la partie de la surface, de la pièce 1 du coté de laquelle se trouve ladite couche de métallisation 3 est dite surface protégée. Dans le cas des aéronefs elle correspond en particulier à la surface de la pièce d'un côté extérieur de l'aéronef, c'est à dire la surface soumise à l'écoulement aérodynamique.
La couche de métallisation 3 comporte elle-même d'une part une première couche conductrice 31 formée par un réseau électriquement conducteur recouvrant la surface extérieure 21 de la partie structurale protégée de la pièce et fixé directement sur ladite surface extérieure et d'autre part une seconde couche conductrice 32 formée par une peinture électriquement conductrice recouvrant la première couche conductrice 31.
La surface extérieure 21 n'est pas obligatoirement recouverte en totalité par la métallisation, certaine zone pas ou peu exposée au risque de foudre pouvant ne pas être métallisée ou métallisée par d'autre moyens, la description étant limitée à une partie de la surface extérieure 21 métallisée suivant le principe de l'invention.
Les peintures électriquement conductrices sont connues de manière générale et consistent par exemple en des peintures chargées en particules conductrices. Dans un tel agencement la seconde couche 32 de peinture conductrice ne permet pas de garantir seule une conduction suffisante pour dissiper des courants de foudre en cas d'impact de foudre mais ladite seconde couche de peinture conductrice par sa faible résistance surfacique locale assure une dispersion du pied d'arc de la foudre autour du point d'impact suffisante pour répartir le courant sur une surface telle que des densités surfaciques de courant soit réduites sur la surface protégée.
Dans un mode préféré de réalisation une peinture électriquement conductrice présentant une conductivité électrique égale ou supérieure à 0,0001 Siemens/m est choisie.
Du fait de ces densités surfaciques de courant réduites, le courant de foudre est en mesure d'être dispersé efficacement par la première couche conductrice 31 sans qu'il soit nécessaire de réaliser un réseau électriquement conducteur aussi dense que dans une protection conventionnelle, le réseau électriquement conducteur, dont le rôle est d'écouler les charges électriques et de conduire les courants électriques générés par l'arc de foudre, n'étant en conséquences plus soumis aux densités de courant aussi élevées que dans les principes de métallisations conventionnelles mettant en œuvre un réseau conducteur. Ainsi le réseau est allégé en étant réalisé avec des fils électriquement conducteurs plus fins et ou avec un maillage du réseau moins serré.
Le réseau est par exemple réalisé par tissage de fils conducteurs ou par un procédé d'étirage et déploiement d'une feuille conductrice dans laquelle ont préalablement été réalisées des entailles. Avantageusement le réseau est réalisé en métal conducteur avec une densité surfacique comprise entre 30 et 100 g/m2, de préférence de 70 ± 10 g/m2, une densité aussi faible que 30 g/m2 ayant été démontrée efficace.
Le réseau de la première couche conductrice 31 est fixé directement sur la surface extérieure 21 la couche structurale 2 sans utiliser de séparateur intermédiaire tel qu'un matériau en feuille, de manière similaire aux grillages de bronze utilisés pour métalliser les surfaces de panneaux composite dans les fabrications aéronautiques.
Une méthode consiste, lorsque la structure de la pièce en matériau composite a été réalisée, à coller le réseau sur la surface extérieure 21 au moyen d'une résine compatible avec le matériau composite de la pièce 1. Cette méthode ajoute une étape lors de la fabrication de la pièce, étape qui est réalisée sur une pièce dure et de forme proche de sa forme finale.
Une autre méthode consiste à placer le réseau au cours d'une étape de réalisation de la pièce en considérant le réseau comme un pli extérieur de la structure en matériau composite placé au niveau de la surface extérieure 21. Si la pièce est réalisée avec une résine durcie au cours d'une étape de polymérisation à chaud (une cuisson de la matrice thermodurcissable), le réseau est déposé sur la pièce du côté de la surface extérieure avant l'étape de cuisson et se trouve fixé sur la surface extérieure de la pièce lors de l'étape de cuisson au cours de laquelle les plis du matériau composite sont comprimés de manière connue les uns contre les autres.
Si la pièce est réalisée avec un matériau à matrice thermoplastique, le réseau est placé sur la pièce, avant ou après formage, sur la surface extérieure 21 et adhère à la pièce sur ladite surface extérieure sous l'effet d'une pression appliquée lorsque la température de la résine correspond à la température à laquelle la résine est amenée dans un état plastique soit simultanément à une étape de formage et de compactage des plis thermoplastiques, soit au cours d'une étape séparée postérieure.
Dans une forme de réalisation préférée lorsque des irrégularités de l'état de surface persiste après la fixation du réseau, une couche d'apprêt 33 est déposée sur la première couche électriquement conductrice 31 pour préparer l'accrochage de la couche de peinture conductrice 32 et, en particulier lorsque la surface protégée est visible, une couche de finition extérieure 34 par une peinture conventionnelle assure une protection de la peinture électriquement conductrice, un état de surface final amélioré et la décoration de la structure. De préférence l'épaisseur de la couche 34 de peinture de finition extérieure est réduite au minimum, avantageusement de l'ordre de 20 μm, typiquement 20 ± 5 μm en moyenne, ce qui est rendu possible par la couche de peinture électriquement conductrice 32 qui a également par ailleurs les comportements physico-chimiques d'une peinture.
Comme dans le cas d'une peinture conventionnelle de protection d'une structure métallique, la couche 34 de peinture de finition peut être isolante, ladite couche étant traversée par les courants de foudre près du point d'impact de la foudre et, en raison de sa faible épaisseur présente une résistance réduite comparée à une peinture conventionnelle de l'ordre de cinq fois plus épaisse.
Avantageusement les épaisseurs cumulées de la seconde couche 32 de peinture conductrice et de la couche 34 de peinture de finition extérieure sont inférieures ou sensiblement égale à l'épaisseur d'une couche de peinture conventionnelle de protection et de finition, c'est à dire environ 100 ± 20 μm en moyenne.
Il est également possible en appliquant la solution proposée par l'invention de sélectionner, pour la réalisation du réseau 31 en matériau électriquement conducteur, un matériau métallique moins performant que le cuivre vis à vis de la conduction électrique mais plus léger tel qu'un alliage d'aluminium dans la mesure où les éventuels problèmes de corrosion sont résolus par le choix des matériaux ou par des traitements anticorrosion appropriés. L'invention permet donc de réaliser une structure protégée contre les effets de la foudre avec une masse inférieure de protection de surface par rapport aux protections connues en répartissant la conduction des courants de foudre entre la peinture et une protection conventionnelle allégée, sans nuire à l'état de surface fini malgré une couche de peinture de finition de d'épaisseur réduite.
Les figures 2a et 2b illustrent l'efficacité de l'invention qui a été démontrée lors d'essais de foudre sur des éprouvettes.
Sur la figure, 2a qui est une photographie à fort agrandissement d'une micro-coupe de l'éprouvette du coté de la surface protégée du matériau composite, le réseau en matériau électriquement conducteur 31 apparaît en coupe comme une couche discontinue (en clair sur la micro-coupe), et il peut être facilement identifié la peinture conductrice 32 et la peinture de finition 34, ainsi que les plis du matériau composite 2 les plus proches de la surface considérée, bien différentiés sur la micro-coupe en raison de l'orientation différente des fibres de chaque pli. La figure 2b montre la surface de l'éprouvette représentative de la pièce
1 en matériau composite recouverte d'une métallisation suivant l'invention et qui a été soumise en laboratoire à un impact de foudre.
Dans cette essai l'éprouvette est soumise à un impact de foudre suivant un profil d'onde D+B+C suivant la norme Eurocae ED-84. Alors qu'un tel impact endommagerait un matériau composite non protégé, la figure 2a ne fait apparaître que des traces superficielles sur une zone
41 sur la figure 2a, d'environ 200 mm de diamètre, autour de l'emplacement 4 de l'impact de foudre à la surface de l'éprouvette.
Il est constaté l'absence d'endommagement de la partie structurale en matériau composite 2 alors même que la métallisation de la surface est beaucoup plus légère que dans les métallisations conventionnelles.
Le matériau conducteur du réseau 32 présente des traces d'évaporation sur une surface réduite et la couche de peinture conductrice 32 est évaporée sur environ 200 mm, diamètre de la zone 41 entourée d'un cercle en trait discontinu sur la figure 2a.
La protection est mise en œuvre par des techniques conventionnelles de pose de réseaux métalliques sur une structure composite et de peintures sans qu'il soit nécessaire de faire appel à des agencements complexes de protection mettant en œuvre des couches intermédiaires de peu d'intérêt vis à vis de leur effet sur les courants de foudre.

Claims

Revendications
- Pièce (1) comportant une partie structurale en matériau composite (2), matériau composite comportant essentiellement des fibres minérales ou organiques maintenues dans une matrice organique dure, électriquement isolant ou faiblement conducteur comportant, sur une surface (21) de ladite partie structurale, au moins sur un côté de ladite pièce susceptible d'être soumise à des accumulations de charges électriques et ou à des impacts de foudre, un réseau (31) d'un matériau électriquement conducteur caractérisé en ce que le réseau recouvre une partie protégée de la surface (21) de ladite partie structurale sur laquelle surface ledit réseau est fixé directement et en ce qu'une couche de peinture électriquement conductrice (32) est déposée sur la pièce (1) de sorte que le réseau (31) est situé entre la partie structurale (2) en matériau composite électriquement isolant ou faiblement conducteur et la couche de peinture électriquement conductrice (32). - Pièce (1) suivant la revendication 1 comportant entre le réseau (31) et la couche de peinture électriquement conductrice (32) une couche d'apprêt et ou de primaire de protection du réseau (31). - Pièce (1) suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle le réseau est un grillage métallique en bronze. - Pièce (1) suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle le réseau est un grillage métallique en cuivre ou en un alliage à base de cuivre. - Pièce (1) suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle le réseau est un grillage métallique en aluminium ou en un alliage à base d'aluminium. - Pièce (1) suivant l'une des revendications 3, 4 ou 5 dans laquelle le grillage métallique présente une densité surfacique comprise entre 30 et 100 g/m2. - Pièce (1) suivant la revendication 6 dans laquelle le grillage métallique présente une densité surfacique de 70 ± 10 g/m2. - Pièce (1) suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle la conductivité électrique de la couche de peinture électriquement conductrice (32) est au moins de 0,0001 Siemens/m . - Pièce (1) suivant l'une des revendications précédentes comportant du côté de ladite pièce susceptible d'être soumise à des accumulations de charges électriques et ou à des impacts de foudre une couche de peinture de finition (34). - Pièce (1) suivant la revendication 10 dans laquelle l'épaisseur de la couche de peinture de finition (34) est de 20 ± 5 μm en moyenne. - Pièce (1) suivant la revendication 11 dans laquelle l'épaisseur cumulée de la couche de peinture électriquement conductrice (32) et de la couche de peinture de finition (34) est de 100 ± 20 μm en moyenne.
PCT/EP2009/067154 2008-12-15 2009-12-15 Structure en matériau composite protégée des effets de la foudre WO2010069944A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/139,633 US20110318981A1 (en) 2008-12-15 2009-12-15 Composite material structure protected against the effects of lightning
EP09771378A EP2377380A1 (fr) 2008-12-15 2009-12-15 Structure en matériau composite protégée des effets de la foudre

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0858580 2008-12-15
FR0858580A FR2939954B1 (fr) 2008-12-15 2008-12-15 Structure en materiau composite protegee des effets de la foudre.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010069944A1 true WO2010069944A1 (fr) 2010-06-24

Family

ID=40942515

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/067154 WO2010069944A1 (fr) 2008-12-15 2009-12-15 Structure en matériau composite protégée des effets de la foudre

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20110318981A1 (fr)
EP (1) EP2377380A1 (fr)
FR (1) FR2939954B1 (fr)
WO (1) WO2010069944A1 (fr)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013028830A3 (fr) * 2011-08-25 2013-06-27 Lord Corporation Système de protection parafoudre

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8882023B2 (en) 2011-04-11 2014-11-11 The Boeing Company Aircraft structural assembly with electromagnetic protection
FR3000700B1 (fr) † 2013-01-10 2015-02-27 Herakles Revetement anti-foudre
US9123998B1 (en) * 2014-03-04 2015-09-01 The Boeing Company Lightning protected radome system
WO2017089591A1 (fr) * 2015-11-27 2017-06-01 Airbus Safran Launchers Sas Pale pour éolienne comprenant une couche de métallisation ayant un grammage optimisé
CN107226192B (zh) * 2017-05-28 2020-10-23 珠海磐磊智能科技有限公司 一种复合板材及飞行器
CN107226201B (zh) * 2017-05-28 2020-03-31 珠海磐磊智能科技有限公司 飞行器
CN108045557A (zh) * 2017-12-15 2018-05-18 惠阳航空螺旋桨有限责任公司 一种螺旋桨整流罩
FR3124975A1 (fr) * 2021-07-08 2023-01-13 Airbus Operations (S.A.S.) Pièce en matériau composite thermoplastique comprenant au moins une couche d’accroche à base d’au moins une résine thermoplastique amorphe

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2612836A2 (fr) * 1985-06-06 1988-09-30 Aerospatiale Materiau de protection contre la foudre
EP1484245A1 (fr) * 2003-06-06 2004-12-08 Airbus Espana, S.L. Système de protection contre la foudre pour dépôts de combustible pour avions fabriqués avec des matériaux composés de faible conductibilité électrique
EP1767344A2 (fr) * 2005-09-19 2007-03-28 The Boeing Company Recouvrement parafoudre pour une surface étendue
GB2433467A (en) * 2005-12-21 2007-06-27 Boeing Co Exterior surface protective structure
US7277266B1 (en) * 2006-03-29 2007-10-02 The Boeing Company Lightning protection system for composite structure

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2582987B1 (fr) * 1985-06-06 1987-07-24 Aerospatiale Materiau de protection contre la foudre
US4832870A (en) * 1988-06-20 1989-05-23 The United States Department Of Energy Electrically conductive composite material
US7402269B2 (en) * 2005-10-25 2008-07-22 The Boeing Company Environmentally stable hybrid fabric system for exterior protection of an aircraft

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2612836A2 (fr) * 1985-06-06 1988-09-30 Aerospatiale Materiau de protection contre la foudre
EP1484245A1 (fr) * 2003-06-06 2004-12-08 Airbus Espana, S.L. Système de protection contre la foudre pour dépôts de combustible pour avions fabriqués avec des matériaux composés de faible conductibilité électrique
EP1767344A2 (fr) * 2005-09-19 2007-03-28 The Boeing Company Recouvrement parafoudre pour une surface étendue
GB2433467A (en) * 2005-12-21 2007-06-27 Boeing Co Exterior surface protective structure
US7277266B1 (en) * 2006-03-29 2007-10-02 The Boeing Company Lightning protection system for composite structure

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2377380A1 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013028830A3 (fr) * 2011-08-25 2013-06-27 Lord Corporation Système de protection parafoudre
CN104115580A (zh) * 2011-08-25 2014-10-22 洛德公司 雷击防护系统
US9007739B2 (en) 2011-08-25 2015-04-14 Lord Corporation Lightning strike protection system

Also Published As

Publication number Publication date
FR2939954A1 (fr) 2010-06-18
US20110318981A1 (en) 2011-12-29
FR2939954B1 (fr) 2013-01-25
EP2377380A1 (fr) 2011-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2010069944A1 (fr) Structure en matériau composite protégée des effets de la foudre
EP2512800B1 (fr) Procédés pour communiquer une conductivité à des matériaux utilisés dans la fabrication d'articles composites et leurs matériaux
EP2328741B1 (fr) Procédé de métallisation d'une pièce en matériau composite et piece
EP1564142B1 (fr) Tapis chauffant composé de fibres électriquement conductrices
CA2727749C (fr) Systeme de drainage d'un courant de foudre genere par une decharge orageuse sur un aeronef
EP2906471A1 (fr) Elément constitutif d'une nacelle à protection contre le givre améliorée
EP3013690A1 (fr) Structure d'aéronef à capacité de capture d'énergie solaire
FR2879998A1 (fr) Panneau de plancher pour aeronef
EP2143637B1 (fr) Procédé d'assemblage d'un tapis de dégivrage et d'un blindage métallique sur une structure
EP2943406B1 (fr) Dispositif de protection contre la foudre et son procede de realisation
FR2964341A1 (fr) Procede de realisation d'une piece electriquement et ou thermiquement conductrice en materiau composite et piece obtenue
FR2953093A1 (fr) Element structural composite a transmission electrique de puissance integree
EP2382088B1 (fr) Structure en matériau composite protégée des effets de la foudre
EP2834150B1 (fr) Dispositif de protection contre la foudre
FR2728395A1 (fr) Element en materiau composite avec assemblage(s) de continuite electrique a travers l'element, son procede de fabrication et son utilisation en aeronautique
EP2715742B1 (fr) Semi-produit sous la forme d'une bande conductrice intégrable dans un matériau composite et procéde de fabrication d'une telle bande
WO2009071824A2 (fr) Procédé de réalisation de pièces composites avec préforme à drapage hybride
EP3221132B1 (fr) Dispositif conducteur destine a etre monte en surface des pieces en materiaux composites
FR3124975A1 (fr) Pièce en matériau composite thermoplastique comprenant au moins une couche d’accroche à base d’au moins une résine thermoplastique amorphe
FR3026982A1 (fr) Materiau composite multicouche thermoplastiques /thermodurcissables

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09771378

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009771378

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13139633

Country of ref document: US