WO2011001065A1 - Method for treating a painted or unpainted composite material using an ion beam - Google Patents

Method for treating a painted or unpainted composite material using an ion beam Download PDF

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WO2011001065A1
WO2011001065A1 PCT/FR2010/051261 FR2010051261W WO2011001065A1 WO 2011001065 A1 WO2011001065 A1 WO 2011001065A1 FR 2010051261 W FR2010051261 W FR 2010051261W WO 2011001065 A1 WO2011001065 A1 WO 2011001065A1
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WO
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composite material
ions
paint
ion beam
ion
Prior art date
Application number
PCT/FR2010/051261
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French (fr)
Inventor
Denis Busardo
Frédéric GUERNALEC
Original Assignee
Quertech Ingenierie
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48Ion implantation

Definitions

  • the subject of the invention is a method for treating an ion beam with a composite material and aims to reduce the formation and / or the grip of hoarfrost, either at the leading edge of an aircraft wing, or an aircraft engine nacelle, still at the trailing edge of a wing.
  • the formation of this frost can have disastrous consequences, by weighing down the plane and reducing its lift. These effects have repeatedly produced accidents.
  • composite is meant a material consisting of two components: a polymer matrix and reinforcements.
  • the polymer matrix which ensures the cohesion of the structure, can be for example an epoxy resin, polyester, phenolic, polyimide or melamine.
  • the mechanical strength of the composite is provided by the reinforcements which may have the form of unidirectional fibers, a mat, fabrics ...
  • the reinforcements may be for example glass fibers, polymeric fibers (kevlar %), carbon fibers, mineral reinforcements (asbestos, mica %), metal fibers, ceramic fibers.
  • Such composite materials can lead to very advantageous applications, for example in the fields of aeronautics, space or the desired qualities relate to safety in flight or the reduction of costs relating to overweight aircraft.
  • the object of the invention is to provide a method of treating composite material which is inexpensive and makes it possible to treat surfaces which meet the needs of numerous applications.
  • the invention thus provides a method of ion beam treatment of a composite material which comprises ion bombardment where:
  • the ions of the ion beam are selected from the ions of the elements of the list consisting of helium (He), boron (B), carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe);
  • the ion acceleration voltage is greater than or equal to 10 kV and less than or equal to 1000 kV;
  • the temperature of the composite material is less than or equal to 180 ° C .
  • the dose of ions per unit area is chosen in a range of between 10 12 ions / cm 2 and 10 18 ions / cm 2 so as to crosslink the composite material to increase the contact angle of a drop of water of at least 5 °.
  • the free radical recombination process created by the passage of ions is called crosslinking, giving rise to the formation of a high density of covalent bonds.
  • the composite material is covered with an abrasion-resistant paint.
  • This paint may for example be polyurethane. Its compatibility with the composite material makes its physico-chemical behavior close to that of the composite material. Generally, there is a very strong likelihood that it has hydrophobic characteristics comparable to those of the composite material when it is subjected to the process of the invention. This could be demonstrated in the following example.
  • the composite material is not covered with any paint.
  • the method according to the invention can be implemented "cold", especially at room temperature and that the temperature of the composite material should be less than or equal to the value of 180 ° C. during the implementation of the method. It can thus be advantageously avoided that the composite material undergoes a physicochemical or mechanical modification.
  • the choice of the ion dose per unit area in the dose range according to the invention may result from a prior calibration step where it is bombarded with one of the ions among He, B, C, N, O, Ne , Ar, Kr, Xe, a sample made of the contemplated composite material.
  • the bombardment of this composite material can be carried out in different areas of the material with a plurality of doses of ions, in the range according to the invention, and the treated areas are observed so as to choose an adequate dose according to the contact angle of a drop of water with the composite material or the minimum stall angle of the same drop obtained by inclining the sample relative to a horizontal plane. Beyond this minimum stall angle the drop of water slides hence the impossibility to form frost.
  • the observation of the treated zones can be carried out by simple observation techniques, such as a photograph of the drop taken in the plane of the composite material placed on a table, or the reading of the angle of inclination. from which the drop moves on the composite material. It is also possible to use more sophisticated analysis techniques such as measuring the tangential force necessary for the separation of two parallel plates of composite material connected by a frost layer.
  • the method of the invention makes it possible to harden the surface of the composite material to a thickness of the order of one micron without weighing down the composite material.
  • the method of the invention has the advantage of being able to replace paints several hundred microns thick representing a weight of several hundred kilograms.
  • the ion dose per unit area is between 10 14 ions / cm 2 and 5 10 17 ions / cm 2 ;
  • the composite material may or may not be coated with a paint layer; we have found that the hydrophobic character is reinforced in both cases;
  • the ion acceleration voltage is between 20 kV and 200 kV;
  • the ions are produced by an electron cyclotron resonance (ECR) source that has the advantage of being compact and energy efficient.
  • ECR electron cyclotron resonance
  • the composite material covered or not with a paint, and subject to the ion beam treatment method according to the invention is a component of an aircraft wing, for example a leading edge or a trailing edge.
  • the composite material covered or not with a paint, and subject to the ion beam treatment method according to the invention is a component of an antenna, including radar. It can be seen that the signal perceived by a radar can be significantly deteriorated when frost or gel covers part of a radar antenna and the implementation of the method according to the present invention on the antenna material is likely to reduce this issue.
  • FIGS. 1a to 1d illustrate the effect of the method according to the invention on the contact angle of a drop of water
  • FIG. 2 illustrates the effect of the method according to the invention on the evolution of the contact angle of a drop of water according to the dose; on the abscissa we find the dose, on the ordinate the angle of contact expressed in degree;
  • FIGS. 3a and 3b illustrate the effect of the method according to the invention on the evolution of the minimum stall angle of a drop of water according to the dose; on the abscissa we find the dose, on the ordinate the minimum stall angle expressed in degrees;
  • FIGS. 4a to 4b illustrate the formation of frost on the leading edge of a wing, in particular treated according to the invention
  • Figures 5.a to 5.b illustrate the formation of frost on the trailing edge of a wing, in particular treated according to the invention.
  • carbon fiber-reinforced epoxy thermosetting resin composite samples have been investigated for treatment with nitrogen ions emitted by an ECR source.
  • Such surfaces have a porosity max of 2%, on average 0.5% of which 0.1% opening.
  • the ion beam with an intensity of 7 mA comprises ions N +, N2 +, N3 +; the extraction and acceleration voltage is 45 kV; the energy of N + is 45 keV and that of N2 + 90 keV, N3 + 145 keV.
  • the sample to be processed moves with respect to the beam with a displacement speed VD of between 0.1 and 1000 mm / s, in this case at 40 mm / s with a lateral advancement pitch at each return of 1 mm. .
  • VD displacement speed
  • the treatment is done in several passes.
  • the hydrophobicity of the surface can be evaluated by depositing a drop of water on the surface.
  • Figure l.a shows a drop of water in equilibrium on a flat surface. It is possible by measuring the contact angle (A) to quantify the hydrophobicity of the surface with water. The higher the contact angle, the higher the hydrophobicity of the surface. When the contact angle is less than 90 °, the surface is hydrophilic. If the contact angle is greater than 90 °, the surface is hydrophobic.
  • Tests were made by depositing drops of water on the surfaces treated by the process of the invention for doses ranging from 10 16 ions / cm 2 to 3.5 ⁇ 10 16 ions / cm 2 .
  • the Figures lb, lc, la show water drop profiles deposited on the virgin composite material or treated according to the method of the invention with different doses. The contact angle increases with the dose. The stiffening of the contact angle is clearly observed by increasing the dose. On the sample of the virgin composite material of FIG. 1b, a contact angle of about 65 ° is measured. For the sample of FIG.
  • Table 1 shows all the average results.
  • Fig. 3a shows a device for measuring the stall angle.
  • the drop is placed on a sample whose angle of inclination can be varied with respect to the horizontal plane. We very gradually increase the angle (A).
  • the weight P of the drop is transformed into a tangential force Fg which has the effect of sliding the drop on the inclined plane when the angle (A) is greater than a minimum stall angle which is characteristic of the adhesion force. drop on the sample.
  • the bombardment of the ions under the conditions according to the invention causes the cross-linking of the surface of the polymer matrix of the composite.
  • This crosslinking increases the apolar nature of the surface which thus develops less interaction with the water which is a polar liquid. This then results in a strengthening of the hydrophobic character and a decrease in the grip of the water on the composite.
  • Figure 3.b shows the evolution of the minimum stall angle according to the dose of the method of the invention.
  • Figures 4.b and 4.a show the areas of formation of frost on a treated surface (Zgt) or virgin (Zgv) according to the method of the invention.
  • the area of the treated surface where the water drops can catch is limited to the upper part of the leading edge (Zgt) which is also the one where the slope relative to the ground is the lowest.
  • this area is larger, it encompasses the previous area and extends over a lower portion of the leading edge (Zgv) so more inclined relative to the ground.
  • Figures 5.a and 5.b show the secondary icing process which has the effect of reducing the lift of an aircraft.
  • frost in the zone (Zgvl) of the blank leading edge comes off, either by heating or by the pressure of the air produced by the displacement of the aircraft, it moves towards the trailing edge to adhere strongly to it. in the zone (Zgv2).
  • the modification of the aerodynamic profile has the effect of reducing the lift of the aircraft, of increasing its consumption or worse to cause its fall.
  • the frost comes off with a lower pressure force in the zone (Zgtl), and slides more easily to be immediately evacuated by the stream of air (Zgt2).
  • the composite material coated or not with a paint is movable relative to the ion beam at a speed, V 0 , between 0.1 mm / s and 1000 mm / s.
  • the scrolling speed V 0 can be constant or variable.
  • the composite material covered or not with a paint moves and the ion beam is fixed.
  • the ion beam sweeps the composite material covered or not with a paint.
  • the composite material covered or not with a paint moves when the ion beam is mobile.
  • the same area of the composite material covered or not with a paint is moved under the ion beam in a plurality, N, of passages at the speed V D.
  • the processing step can be static and result from one or more "flash" of ions.
  • the invention also relates to the use of the method of the invention for reducing the formation of frost composite material covered or not with a paint.

Abstract

The invention relates to a method for treating a painted or unpainted composite material using an ion beam, where: the ion acceleration voltage is between 10 kV and 1000 kV; the maximum temperature of the composite material or the paint covering said material is 180°C; the measured amount of ions per surface unit is selected from within a range of 1012 ions/cm2 to 1018 ions/cm2 such that the composite material is cross-linked in order to increase the water drop contact angle by at least 5°. Composite materials having icephobic properties are thus advantageously obtained.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT PAR UN FAISCEAU D'IONS D'UN MATERIAU COMPOSITE RECOUVERT OU NON D'UNE PEINTURE  METHOD FOR TREATING AN ION BEAM OF A COMPOSITE MATERIAL COVERED WITH OR WITHOUT PAINTING
L'invention a pour objet un procédé de traitement par un faisceau d'ions d'un matériau composite et vise à réduire la formation et/ou l'accroche de givre soit en bord d'attaque d'une aile d'avion, d'une nacelle de réacteur d'avion, soit encore en bord de fuite d'une aile. La formation de ce givre peut avoir des conséquences désastreuses, en alourdissant l'avion et en réduisant sa portance. Ces effets ont produit à plusieurs reprises des accidents . The subject of the invention is a method for treating an ion beam with a composite material and aims to reduce the formation and / or the grip of hoarfrost, either at the leading edge of an aircraft wing, or an aircraft engine nacelle, still at the trailing edge of a wing. The formation of this frost can have disastrous consequences, by weighing down the plane and reducing its lift. These effects have repeatedly produced accidents.
On entend par « composite » un matériau constitué de deux composants : une matrice polymère et des renforts. La matrice polymère, qui assure la cohésion de la structure, peut être par exemple une résine époxyde, polyester, phénolique, polyimide ou de la mélamine. La tenue mécanique du composite est assurée par les renforts qui peuvent avoir la forme de fibres unidirectionnelles, d'un mat, de tissus... Les renforts peuvent être par exemple des fibres de verre, des fibres polymères (kevlar...) , des fibres de carbone, des renforts minéraux (amiante, mica...), des fibres métalliques, des fibres céramiques .  By "composite" is meant a material consisting of two components: a polymer matrix and reinforcements. The polymer matrix, which ensures the cohesion of the structure, can be for example an epoxy resin, polyester, phenolic, polyimide or melamine. The mechanical strength of the composite is provided by the reinforcements which may have the form of unidirectional fibers, a mat, fabrics ... The reinforcements may be for example glass fibers, polymeric fibers (kevlar ...), carbon fibers, mineral reinforcements (asbestos, mica ...), metal fibers, ceramic fibers.
De tels matériaux composites peuvent conduire à des applications très avantageuses, par exemple dans les domaines de l'aéronautique, du spatial ou les qualités recherchées concernent la sécurité en vol ou encore la réduction des coûts relatifs au surpoids des avions.  Such composite materials can lead to very advantageous applications, for example in the fields of aeronautics, space or the desired qualities relate to safety in flight or the reduction of costs relating to overweight aircraft.
Il en résulte un besoin de méthode de traitement de surface de matériau composite, de préférence selon des méthodes facilement industrialisâmes, de manière à pouvoir offrir de tels matériaux composites en quantité significative et à des coûts raisonnables. This results in a need for a surface treatment method of composite material, preferably according to easily industrialized methods, so as to be able to to offer such composite materials in significant quantities and at reasonable costs.
L'invention a pour but d'offrir une méthode de traitement de matériau composite peu onéreuse et permettant de traiter des surfaces répondant aux besoins de nombreuses applications .  The object of the invention is to provide a method of treating composite material which is inexpensive and makes it possible to treat surfaces which meet the needs of numerous applications.
L'invention propose ainsi un procédé de traitement par un faisceau d'ions d'un matériau composite qui comprend un bombardement ionique où :  The invention thus provides a method of ion beam treatment of a composite material which comprises ion bombardment where:
- les ions du faisceau d'ions sont sélectionnés parmi les ions des éléments de la liste constituée de l'hélium (He), du bore (B), du carbone (C), de l'azote (N), de l'oxygène (O), du néon (Ne), de l'argon (Ar), du krypton (Kr) , du xénon (Xe) ;  the ions of the ion beam are selected from the ions of the elements of the list consisting of helium (He), boron (B), carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe);
- la tension d'accélération des ions est supérieure ou égale à 10 kV et inférieure ou égale à 1000 kv ;  the ion acceleration voltage is greater than or equal to 10 kV and less than or equal to 1000 kV;
- la température du matériau composite est inférieure ou égale à 180° C;  the temperature of the composite material is less than or equal to 180 ° C .;
- on choisit la dose d'ions par unité de surface dans une plage comprise entre 1012 ions/cm2 et 1018 ions/cm2 de manière à réticuler le matériau composite pour augmenter l'angle de contact d'une goutte d'eau d'au moins 5°. On appelle réticulation le processus de recombinaison des radicaux libres créé par le passage des ions, donnant lieu à la formation d'une haute densité de liaisons covalentes . the dose of ions per unit area is chosen in a range of between 10 12 ions / cm 2 and 10 18 ions / cm 2 so as to crosslink the composite material to increase the contact angle of a drop of water of at least 5 °. The free radical recombination process created by the passage of ions is called crosslinking, giving rise to the formation of a high density of covalent bonds.
Selon un mode de réalisation, le matériau composite est recouvert d'une peinture résistante à l'abrasion. Cette peinture peut par exemple être en polyuréthane . Sa compatibilité avec le matériau composite rend son comportement physico-chimique proche de celui du matériau composite. En règle générale, il existe une très forte probabilité pour qu'elle présente des caractères hydrophobiques comparables à ceux du matériau composite lorsqu'elle est soumise au procédé de l'invention. Cela a pu être démontré dans l'exemple qui suit. According to one embodiment, the composite material is covered with an abrasion-resistant paint. This paint may for example be polyurethane. Its compatibility with the composite material makes its physico-chemical behavior close to that of the composite material. Generally, there is a very strong likelihood that it has hydrophobic characteristics comparable to those of the composite material when it is subjected to the process of the invention. This could be demonstrated in the following example.
Selon un mode de réalisation, le matériau composite n'est recouvert d'aucune peinture.  According to one embodiment, the composite material is not covered with any paint.
Le choix des ions et des conditions de bombardement de ces ions selon l'invention permet d'obtenir avantageusement une augmentation de l 'hydrophobie du matériau composite se traduisant par une augmentation de l'angle de contact et une réduction des forces intermoléculaires entre la goutte d'eau et le matériau composite traité. Ces propriétés sont très importantes pour réduire la formation de givre sur le bord d'attaque d'une aile d'avion, ou encore sur son bord de fuite de l'aile. On désigne par ice-phobie ou propriétés icephobiques le comportement et la qualité d'un matériau à retarder, réduire ou empêcher la formation d'une couche de givre.  The choice of ions and the bombardment conditions of these ions according to the invention makes it possible advantageously to obtain an increase in the hydrophobicity of the composite material, resulting in an increase in the contact angle and a reduction in the intermolecular forces between the droplet. of water and the treated composite material. These properties are very important to reduce the formation of frost on the leading edge of an aircraft wing, or on its trailing edge of the wing. Ice-phobia or icephobic properties are the behavior and quality of a material to retard, reduce or prevent the formation of a frost layer.
Les inventeurs ont pu constater que les plages choisies selon l'invention de tension d'accélération et de dose d'ions par unité de surface permettent de sélectionner des conditions expérimentales où le renforcement de propriétés hydrophobiques et par voie de conséquence ice-phobiques, est possible grâce à un bombardement ionique.  The inventors have found that the ranges chosen according to the invention of acceleration voltage and ion dose per unit area make it possible to select experimental conditions in which the reinforcement of hydrophobic and consequently ice-phobic properties is possible thanks to ion bombardment.
En outre, ils ont pu constater que le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre « à froid », notamment à température ambiante et qu'il convient que la température du matériau composite demeure inférieure ou égale à la valeur de 180° C durant la mise en œuvre du procédé. On peut ainsi éviter avantageusement que le matériau composite subisse une modification physico-chimique ou mécanique. Le choix de la dose d'ions par unité de surface dans la plage de dose selon l'invention peut résulter d'une étape préalable d'étalonnage où on bombarde avec un des ions parmi He, B, C, N, O, Ne, Ar, Kr, Xe, un échantillon constitué du matériau composite envisagé. Le bombardement de ce matériau composite peut s'effectuer dans différentes zones du matériau avec une pluralité de doses d'ions, dans la plage selon l'invention, et on observe les zones traitées de manière à choisir une dose adéquate en fonction de l'angle de contact d'une goutte d'eau avec le matériau composite ou encore l'angle de décrochage minimal de cette même goutte obtenu en inclinant l'échantillon par rapport à un plan horizontal. Au delà de cet angle de décrochage minimal la goutte d'eau glisse d'où l'impossibilité à former du givre. In addition, they have found that the method according to the invention can be implemented "cold", especially at room temperature and that the temperature of the composite material should be less than or equal to the value of 180 ° C. during the implementation of the method. It can thus be advantageously avoided that the composite material undergoes a physicochemical or mechanical modification. The choice of the ion dose per unit area in the dose range according to the invention may result from a prior calibration step where it is bombarded with one of the ions among He, B, C, N, O, Ne , Ar, Kr, Xe, a sample made of the contemplated composite material. The bombardment of this composite material can be carried out in different areas of the material with a plurality of doses of ions, in the range according to the invention, and the treated areas are observed so as to choose an adequate dose according to the contact angle of a drop of water with the composite material or the minimum stall angle of the same drop obtained by inclining the sample relative to a horizontal plane. Beyond this minimum stall angle the drop of water slides hence the impossibility to form frost.
L'observation des zones traitées ainsi peut s'effectuer par des techniques d'observation simples, telles qu'une photographie de la goutte prise dans le plan du matériau composite placé sur une table, ou encore le relevé de l'angle d'inclinaison à partir duquel la goutte se déplace sur le matériau composite. Il est également possible d'utiliser des techniques d'analyse plus élaborées comme la mesure de la force tangentielle nécessaire à la séparation de deux plaques parallèles de matériau composite reliées par une couche de givre .  The observation of the treated zones can be carried out by simple observation techniques, such as a photograph of the drop taken in the plane of the composite material placed on a table, or the reading of the angle of inclination. from which the drop moves on the composite material. It is also possible to use more sophisticated analysis techniques such as measuring the tangential force necessary for the separation of two parallel plates of composite material connected by a frost layer.
Sans vouloir être lié par une quelconque théorie scientifique, on peut penser que ce phénomène peut s'expliquer par la nature des liaisons chimiques créées par l'ion incident dans le matériau composite. L'ion incident casse sur son passage les liaisons covalentes, produisant des radicaux libres qui se recombinent préférentiellement sous forme de liaisons de type carbone-carbone, très faiblement polarisées. D'où une réduction du caractère polaire initial. La surface du matériau prend alors un caractère apolaire autrement dit hydrophobe . D'autre part on peut penser que la saturation en liaisons covalentes (réticulation) induit une inertie physico-chinaique superficielle du matériau composite. Ceci se traduit par réduction des forces de Van der Waals entre la goutte d'eau et le matériau composite, d'où une diminution de l'adhérence de la goutte d'eau ou encore une réduction de l'angle de décrochage minimal . Without wishing to be bound by any scientific theory, it may be thought that this phenomenon can be explained by the nature of the chemical bonds created by the incident ion in the composite material. The incident ion breaks in its path the covalent bonds, producing free radicals which recombine preferentially in the form of bonds of carbon-carbon type, very weakly polarized. Hence a reduction of the initial polar character. The surface of the material then takes a apolar, in other words, hydrophobic character. On the other hand we can think that the saturation in covalent bonds (crosslinking) induces a superficial physico-chinaic inertia of the composite material. This results in a reduction of Van der Waals forces between the drop of water and the composite material, resulting in a decrease in the adhesion of the drop of water or a reduction in the minimum stall angle.
Outre le renforcement des propriétés hydrophobiques intimement liées aux propriétés icephobiques dont elles sont à l'origine, le procédé de l'invention permet de durcir la surface du matériau composite sur une épaisseur de l'ordre du micron sans alourdir le matériau composite. Le procédé de l'invention présente l'avantage de pouvoir remplacer des peintures de plusieurs centaines de microns d'épaisseur représentant un poids de plusieurs centaines de kilogrammes. In addition to reinforcing the hydrophobic properties intimately related to the icephobic properties of which they are at the origin, the method of the invention makes it possible to harden the surface of the composite material to a thickness of the order of one micron without weighing down the composite material. The method of the invention has the advantage of being able to replace paints several hundred microns thick representing a weight of several hundred kilograms.
On allège d'autant la voilure d'un avion ou encore la nacelle d'un réacteur. We can reduce the wings of an airplane or the nacelle of a reactor.
Selon différents modes de réalisation qui peuvent être combinés entre eux :  According to different embodiments that can be combined with one another:
- la dose d'ions par unité de surface est comprise entre 1014 ions/cm2 et 5 1017 ions/cm2 ; the ion dose per unit area is between 10 14 ions / cm 2 and 5 10 17 ions / cm 2 ;
le matériau composite peut être recouvert ou non d'une couche de peinture; nous avons pu constater que le caractère hydrophobe est renforcé dans les deux cas;  the composite material may or may not be coated with a paint layer; we have found that the hydrophobic character is reinforced in both cases;
- la tension d'accélération des ions est comprise entre 20 kV et 200 kv ;  the ion acceleration voltage is between 20 kV and 200 kV;
les ions sont produits par une source à résonance cyclotronique électronique (RCE) qui a l'avantage d'être compacte et économe en énergie. Selon un mode de réalisation, le matériau composite recouvert ou non d'une peinture, et faisant l'objet du procédé de traitement par un faisceau d'ions selon l'invention est un composant d'une aile d'avion, par exemple un bord d'attaque ou un bord de fuite. the ions are produced by an electron cyclotron resonance (ECR) source that has the advantage of being compact and energy efficient. According to one embodiment, the composite material covered or not with a paint, and subject to the ion beam treatment method according to the invention is a component of an aircraft wing, for example a leading edge or a trailing edge.
Selon un autre mode de réalisation, le matériau composite recouvert ou non d'une peinture, et faisant l'objet du procédé de traitement par un faisceau d'ions selon l'invention est un composant d'une antenne, notamment de radar. On constate que le signal perçu par un radar peut être significativement détérioré quand du givre ou du gel recouvre une partie d'une antenne radar et la mise en œuvre du procédé selon la présente invention sur le matériau de l'antenne est de nature à réduire ce problème.  According to another embodiment, the composite material covered or not with a paint, and subject to the ion beam treatment method according to the invention is a component of an antenna, including radar. It can be seen that the signal perceived by a radar can be significantly deteriorated when frost or gel covers part of a radar antenna and the implementation of the method according to the present invention on the antenna material is likely to reduce this issue.
D'autres particularités et avantages de la présente invention ressortiront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, notamment en référence aux dessins annexés dans lesquels :  Other features and advantages of the present invention will emerge in the following description of nonlimiting exemplary embodiments, in particular with reference to the accompanying drawings in which:
- les figures l.a à l.d illustrent l'effet du procédé selon l'invention sur l'angle de contact d'une goutte d'eau;  FIGS. 1a to 1d illustrate the effect of the method according to the invention on the contact angle of a drop of water;
la figure 2 illustre l'effet du procédé selon l'invention sur l'évolution de l'angle de contact d'une goutte d'eau selon la dose ; en abscisse on trouve la dose, en ordonnée l'angle de contact exprimé en degré ;  FIG. 2 illustrates the effect of the method according to the invention on the evolution of the contact angle of a drop of water according to the dose; on the abscissa we find the dose, on the ordinate the angle of contact expressed in degree;
- les figures 3. a et 3.b illustrent l'effet du procédé selon l'invention sur l'évolution de l'angle minimal de décrochage d'une goutte d'eau selon la dose ; en abscisse on trouve la dose, en ordonnée l'angle de décrochage minimal exprimé en degré ;  FIGS. 3a and 3b illustrate the effect of the method according to the invention on the evolution of the minimum stall angle of a drop of water according to the dose; on the abscissa we find the dose, on the ordinate the minimum stall angle expressed in degrees;
- les figures 4. a à 4.b illustrent la formation du givre sur le bord d'attaque d'une aile, notamment traité selon l'invention ; - les figures 5. a à 5.b illustrent la formation du givre sur le bord de fuite d'une aile, notamment traité selon l'invention. FIGS. 4a to 4b illustrate the formation of frost on the leading edge of a wing, in particular treated according to the invention; - Figures 5.a to 5.b illustrate the formation of frost on the trailing edge of a wing, in particular treated according to the invention.
Selon des exemples de mise en œuvre de la présente invention, des échantillons de composite en résine thermodurcissable époxyde renforcée par un tissu de carbone ont fait l'objet d'études pour un traitement avec des ions azote émis par une source RCE. De telles surfaces présentent une porosité max de 2%, en moyenne de 0,5% dont 0,1% débouchant .  According to exemplary embodiments of the present invention, carbon fiber-reinforced epoxy thermosetting resin composite samples have been investigated for treatment with nitrogen ions emitted by an ECR source. Such surfaces have a porosity max of 2%, on average 0.5% of which 0.1% opening.
Le faisceau d'ions d'une intensité de 7 mA comprend des ions N+, N2+, N3+; la tension d'extraction et d'accélération est de 45 kV ; l'énergie de N+ est de 45 keV et celle de N2+ de 90 keV, N3+ de 145 keV.  The ion beam with an intensity of 7 mA comprises ions N +, N2 +, N3 +; the extraction and acceleration voltage is 45 kV; the energy of N + is 45 keV and that of N2 + 90 keV, N3 + 145 keV.
L'échantillon à traiter se déplace par rapport au faisceau avec une vitesse de déplacement VD comprise entre 0,1 et 1000 mm/s, dans le cas présent à 40 mm/s avec un pas d'avancement latéral à chaque retour de 1 mm. Pour atteindre la dose nécessaire le traitement se fait en plusieurs passes.  The sample to be processed moves with respect to the beam with a displacement speed VD of between 0.1 and 1000 mm / s, in this case at 40 mm / s with a lateral advancement pitch at each return of 1 mm. . To reach the required dose the treatment is done in several passes.
L 'hydrophobie de la surface, peut être évaluée en déposant une goutte d'eau sur la surface. La figure l.a représente une goutte de d'eau en équilibre sur une surface plane. Il est possible en mesurant l'angle de contact (A) de quantifier l' hydrophobie de la surface avec l'eau. Plus l'angle de contact est élevé, plus l 'hydrophobie de la surface est élevée. Lorsque l'angle de contact est inférieur à 90°, la surface est hydrophile. Si l'angle de contact est supérieur à 90°, la surface est hydrophobe.  The hydrophobicity of the surface can be evaluated by depositing a drop of water on the surface. Figure l.a shows a drop of water in equilibrium on a flat surface. It is possible by measuring the contact angle (A) to quantify the hydrophobicity of the surface with water. The higher the contact angle, the higher the hydrophobicity of the surface. When the contact angle is less than 90 °, the surface is hydrophilic. If the contact angle is greater than 90 °, the surface is hydrophobic.
Des tests ont été faits en déposant des gouttes d'eau sur les surfaces traitées par le procédé de l'invention pour des doses allant de 1016 ions/cm2 à 3,5xlO16 ions/cm2. Les figures l.b, l.c, l.a montrent des profils de goutte d'eau déposée sur le matériau composite vierge ou traité selon le procédé de l'invention avec différentes doses. L'angle de contact croit avec la dose. On observe clairement le raidissement de l'angle de contact en augmentant la dose. Sur l'échantillon de matériau composite vierge de la figure l.b on mesure un angle de contact de 65° environ, pour l'échantillon de la figure l.c traité avec une dose estimée de 1016 ions/cm2 on mesure un angle de contact de 71° environ, enfin pour l'échantillon de la figure l.d traité avec une dose estimée de 2xlO16 ions/cm2, on mesure un angle de contact de 85° environ. On passe ainsi d'un comportement hydrophile à un comportement hydrophobe. Tests were made by depositing drops of water on the surfaces treated by the process of the invention for doses ranging from 10 16 ions / cm 2 to 3.5 × 10 16 ions / cm 2 . The Figures lb, lc, la show water drop profiles deposited on the virgin composite material or treated according to the method of the invention with different doses. The contact angle increases with the dose. The stiffening of the contact angle is clearly observed by increasing the dose. On the sample of the virgin composite material of FIG. 1b, a contact angle of about 65 ° is measured. For the sample of FIG. 1c treated with an estimated dose of 10 16 ions / cm 2, a contact angle of 71 °, finally for the sample of Figure ld treated with an estimated dose of 2x10 16 ions / cm 2 , a contact angle of about 85 ° is measured. This changes from a hydrophilic behavior to a hydrophobic behavior.
Le tableau 1 rassemble l'ensemble des résultats moyennes . Table 1 shows all the average results.
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Tableau 1  Table 1
II existe une gamme de doses possibles pour atteindre un caractère hydrophobe. On estime qu'une dose minimale a un effet significatif sur matériau composite recouvert ou non d'une peinture lorsque le renforcement du caractère hydrophobe se traduit par une augmentation de 5° de l'angle de contact d'une goutte d'eau. Cette valeur de 5° correspond à l'écart type observé pour une mesure d'angle de contact. Dans le cas de cette étude la dose minimale est proche de l,5xlθ16 ions/cm2 , l'angle de contact passe de 65,4° pour le matériau vierge à 72,2° pour le matériau traité, soit une augmentation de l'angle de contact légèrement supérieur à 5°. Les résultats de ce tableau sont représentés sur la figure 2. There is a range of possible doses to achieve a hydrophobic character. It is estimated that a minimum dose has significant effect on composite material coated or not with a paint when the strengthening of the hydrophobic character results in a 5 ° increase in the contact angle of a drop of water. This value of 5 ° corresponds to the standard deviation observed for a contact angle measurement. In the case of this study, the minimum dose is close to 1.5xl0 16 ions / cm 2 , the contact angle increases from 65.4 ° for the virgin material to 72.2 ° for the treated material, an increase of the contact angle slightly greater than 5 °. The results of this table are shown in Figure 2.
Les forces d'interaction d'une goutte d'eau sur une surface peuvent être évaluées en mesurant l'angle de décrochage de la goutte sur la surface. La fig 3. a représente un dispositif permettant la mesure de l'angle de décrochage. La goutte est placée sur un échantillon dont on peut faire varier l'angle d'inclinaison par rapport au plan horizontal. On augmente très progressivement l'angle (A). Le poids P de la goutte se transforme en une force tangentielle Fg qui a pour effet de faire glisser la goutte sur le plan incliné lorsque l'angle (A) est supérieur à un angle de décrochage minimal qui est caractéristique de la force d'adhésion de la goutte sur l'échantillon.  The interaction forces of a drop of water on a surface can be evaluated by measuring the stall angle of the drop on the surface. Fig. 3a shows a device for measuring the stall angle. The drop is placed on a sample whose angle of inclination can be varied with respect to the horizontal plane. We very gradually increase the angle (A). The weight P of the drop is transformed into a tangential force Fg which has the effect of sliding the drop on the inclined plane when the angle (A) is greater than a minimum stall angle which is characteristic of the adhesion force. drop on the sample.
Les résultats sont synthétisés dans le tableau 2.  The results are summarized in Table 2.
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Tableau 2  Table 2
On constate que les échantillons traités selon le procédé de 1 ' invention présentent des angles de décrochage inférieurs de 20° à l'angle de décrochage de l'échantillon vierge. Cela signifie que la force nécessaire pour faire glisser la goutte d'eau est plus faible. Cette force de glissement Fg correspond au poids de P de la goutte projeté sur le plan de glissement : Fg = P x sin(A) . En appliquant cette règle on estime que la force de glissement de la goutte pour l'échantillon vierge est égale à P x sin(70°) et pour une dose de l,5xlθ16 ions/cm2 égale à P x sin(50°), soit une diminution de l'adhérence d'environ 30% de la goutte sur le matériau composite traité. It is found that the samples treated according to the method of the invention have stall angles of 20 ° lower than the stall angle of the blank sample. This means that the force required to slide the drop of water is lower. This sliding force Fg corresponds to the weight of P of the drop projected on the sliding plane: Fg = P x sin (A). Applying this rule it is estimated that the sliding force of the drop for the virgin sample is equal to P x sin (70 °) and for a dose of 1.5xl0 16 ions / cm 2 equal to P x sin (50 °) ), or a decrease in adhesion of about 30% of the drop on the treated composite material.
Sans vouloir être lié par une quelconque théorie scientifique, on peut penser que le bombardement des ions dans les conditions selon l'invention provoque la réticulation de la surface de la matrice polymère du composite. Cette réticulation augmente le caractère apolaire de la surface qui ainsi développe moins d'interaction avec l'eau qui est un liquide polaire. Ceci se traduit alors par un renforcement du caractère hydrophobe et une diminution de l'accroche de l'eau sur le composite.  Without wishing to be bound by any scientific theory, it may be thought that the bombardment of the ions under the conditions according to the invention causes the cross-linking of the surface of the polymer matrix of the composite. This crosslinking increases the apolar nature of the surface which thus develops less interaction with the water which is a polar liquid. This then results in a strengthening of the hydrophobic character and a decrease in the grip of the water on the composite.
La figure 3.b représente l'évolution de l'angle de décrochage minimal selon la dose du procédé de l'invention.  Figure 3.b shows the evolution of the minimum stall angle according to the dose of the method of the invention.
Les figures 4.b et 4. a représentent les zones de formation du givre sur une surface traitée (Zgt) ou vierge (Zgv) selon le procédé de l'invention. La zone de la surface traitée où les gouttes d'eau peuvent s'accrocher se limite à la partie haute du bord d'attaque (Zgt) qui est aussi celle où l'inclinaison par rapport au sol est la plus faible. Sur la surface vierge cette zone est plus vaste, elle englobe la zone précédente et s'étend sur une portion plus basse du bord d'attaque (Zgv) donc plus inclinée par rapport au sol . Figures 4.b and 4.a show the areas of formation of frost on a treated surface (Zgt) or virgin (Zgv) according to the method of the invention. The area of the treated surface where the water drops can catch is limited to the upper part of the leading edge (Zgt) which is also the one where the slope relative to the ground is the lowest. On the virgin surface this area is larger, it encompasses the previous area and extends over a lower portion of the leading edge (Zgv) so more inclined relative to the ground.
Les figures 5. a et 5.b représentent le processus de givrage secondaire qui a pour effet de réduire la portance d'un avion. Lorsque le givre dans la zone (Zgvl) du bord d'attaque vierge se décolle, soit par réchauffement soit par la pression de l'air produite par le déplacement de l'avion, il se déplace vers le bord de fuite pour y adhérer fortement dans la zone(Zgv2). La modification du profil aérodynamique a pour effet de réduire la portance de l'avion, d'augmenter sa consommation ou pire d'entraîner sa chute. Sur le bord d'attaque traité, le givre se décolle avec une force de pression moindre dans la zone (Zgtl) , et glisse plus facilement pour être aussitôt évacué par le flot d'air (Zgt2).  Figures 5.a and 5.b show the secondary icing process which has the effect of reducing the lift of an aircraft. When the frost in the zone (Zgvl) of the blank leading edge comes off, either by heating or by the pressure of the air produced by the displacement of the aircraft, it moves towards the trailing edge to adhere strongly to it. in the zone (Zgv2). The modification of the aerodynamic profile has the effect of reducing the lift of the aircraft, of increasing its consumption or worse to cause its fall. On the treated leading edge, the frost comes off with a lower pressure force in the zone (Zgtl), and slides more easily to be immediately evacuated by the stream of air (Zgt2).
Selon différents modes de réalisation du procédé selon la présente invention, qui peuvent être combinés entre eux :  According to various embodiments of the method according to the present invention, which can be combined with one another:
- Le matériau composite recouvert ou non d'une peinture est mobile par rapport au faisceau d'ions à une vitesse, V0, comprise entre 0,1 mm/s et 1000 mm/s. - The composite material coated or not with a paint is movable relative to the ion beam at a speed, V 0 , between 0.1 mm / s and 1000 mm / s.
- Il est ainsi possible de déplacer l'échantillon pour traiter des zones dont la dimension est supérieure à celle du faisceau.  - It is thus possible to move the sample to treat areas whose size is greater than that of the beam.
- La vitesse de défilement V0, peut être constante ou variable. Selon un mode de réalisation, le matériau composite recouvert ou non d'une peinture se déplace et le faisceau d'ions est fixe. Selon un autre mode de réalisation, le faisceau d'ions balaie le matériau composite recouvert ou non d'une peinture . - The scrolling speed V 0 , can be constant or variable. According to one embodiment, the composite material covered or not with a paint moves and the ion beam is fixed. According to another embodiment, the ion beam sweeps the composite material covered or not with a paint.
- Il est également possible que le matériau composite recouvert ou non d'une peinture se déplace quand le faisceau d'ions est mobile.  It is also possible that the composite material covered or not with a paint moves when the ion beam is mobile.
Selon un mode de réalisation, une même zone du matériau composite recouvert ou non d'une peinture est déplacée sous le faisceau d'ions selon une pluralité, N, de passages à la vitesse VD. According to one embodiment, the same area of the composite material covered or not with a paint is moved under the ion beam in a plurality, N, of passages at the speed V D.
- Il est ainsi possible de traiter une même zone du matériau composite recouvert ou non d'une peinture avec une dose d'ions correspondant à la somme des doses d'ions reçues par cette zone à l'issue des N passages.  - It is thus possible to treat the same area of the composite material with or without a paint with a dose of ions corresponding to the sum of the ion doses received by this area after the N passes.
On note également que si la taille du matériau composite recouvert ou non d'une peinture le permet, l'étape de traitement peut être statique et résulter d'un ou plusieurs « flash » d'ions.  It is also noted that if the size of the composite material coated or not paint allows, the processing step can be static and result from one or more "flash" of ions.
L'invention vise également l'utilisation du procédé de l'invention pour réduire la formation de givre du matériau composite recouvert ou non d'une peinture.  The invention also relates to the use of the method of the invention for reducing the formation of frost composite material covered or not with a paint.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement par un faisceau d'ions d'un matériau composite recouvert ou non d'une peinture caractérisé en ce qu'il consiste en un bombardement ionique où : 1. A process for treating an ion beam with a composite material which may or may not be coated with a paint, characterized in that it consists of an ion bombardment in which:
- les ions du faisceau d'ions sont sélectionnés parmi les ions des éléments de la liste constituée de l'hélium (He), du bore (B), du carbone (C), de l'azote (N), de l'oxygène (O), du néon (Ne), de l'argon (Ar), du krypton (Kr) , du xénon (Xe) ;  the ions of the ion beam are selected from the ions of the elements of the list consisting of helium (He), boron (B), carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe);
- la tension d'accélération des ions est supérieure ou égale à 10 kV et inférieure ou égale à 1000 kV ;  the ion acceleration voltage is greater than or equal to 10 kV and less than or equal to 1000 kV;
la température du matériau composite ou de la peinture qui le recouvre est inférieure ou égale à 1800C; the temperature of the composite material or paint which covers it is less than or equal to 180 0 C;
- on choisit la dose d'ions par unité de surface dans une plage comprise entre 1012 ions/cm2 et 1018 ions/cm2 de manière à réticuler le matériau composite pour augmenter l'angle de contact d'une goutte d'eau d'au moins 5°. the dose of ions per unit area is chosen in a range of between 10 12 ions / cm 2 and 10 18 ions / cm 2 so as to crosslink the composite material to increase the contact angle of a drop of water of at least 5 °.
2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la dose d'ions par unité de surface est comprise entre 1014 ions/cm2 et 5 1017 ions/cm2. 2. Method according to the preceding claim characterized in that the dose of ions per unit area is between 10 14 ions / cm 2 and 5 10 17 ions / cm 2 .
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la tension d'accélération des ions est comprise entre 20 kV et 200 kV.  3. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the acceleration voltage of the ions is between 20 kV and 200 kV.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la réticulation du matériau composite ou de la peinture est mise en œuvre avec des ions légers, choisis parmi les ions des éléments de la liste constituée de l'hélium (He), du bore (B), du carbone (C), de l'azote (N), de l'oxygène (O), du néon (Ne). 4. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the crosslinking of the composite material or of the paint is carried out with light ions selected from the ions of the elements of the list consisting of helium (He) , boron (B), carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), neon (Ne).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau composite est mobile par rapport au faisceau d'ions à une vitesse, VD, comprise entre 0,1 mm/s et 1000 mm/s. 5. Method according to any one of the preceding claims characterized in that the composite material is movable relative to the ion beam at a speed, V D , between 0.1 mm / s and 1000 mm / s.
6. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'une même zone du matériau composite est déplacée sous le faisceau d'ions selon une pluralité, N, de passages à la vitesse VD. 6. Method according to the preceding claim characterized in that a same zone of the composite material is moved under the ion beam in a plurality, N, of passages at the speed V D.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau composite est constitué d'une matrice polymère choisie parmi la liste des résines époxyde, polyester, phénolique, polyimide ou de la mélamine .  7. Method according to any one of the preceding claims characterized in that the composite material consists of a polymer matrix selected from the list of epoxy resins, polyester, phenolic, polyimide or melamine.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau composite est constitué d'un renfort choisi parmi la liste constituée des fibres de verre, des fibres polymères, des fibres de carbone, des renforts minéraux, des fibres métalliques, des fibres céramiques .  8. Method according to any one of the preceding claims characterized in that the composite material consists of a reinforcement selected from the list consisting of glass fibers, polymeric fibers, carbon fibers, mineral reinforcements, metal fibers , ceramic fibers.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la peinture appartient à la famille polyuréthane .  9. Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the paint belongs to the polyurethane family.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau composite recouvert ou non d'une peinture, et faisant l'objet dudit procédé de traitement par un faisceau d'ions, est un composant d'une aile d'avion.  10. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the composite material coated or not with a paint, and subject to said ion beam treatment process, is a component of a wing d 'plane.
11. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le composant de l'aile d'avion faisant l'objet dudit procédé de traitement est un bord d'attaque ou un bord de fuite. 11. Method according to the preceding claim characterized in that the component of the aircraft wing being the subject of said treatment process is a leading edge or a trailing edge.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le matériau composite recouvert ou non d'une peinture, et faisant l'objet dudit procédé de traitement par un faisceau d'ions, est un composant d'une antenne, notamment de radar. 12. A method according to any one of claims 1 to 9 characterized in that the composite material coated or not with a paint, and subject to said ion beam treatment process, is a component of a antenna, including radar.
13. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes en vue de réduire la formation de givre du matériau composite recouvert ou non d'une peinture.  13. Use of the method according to any one of the preceding claims to reduce frost formation of the composite material with or without a paint.
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