Brevet FR2008114A1 — publié le 19700116

-1- 2008114 La présente invention concerne des objets en matières réfractaires composites ayant une grande résistance mécanique et un module élevé, ces objets se composant de plusieurs fibres de carbone qui sont essentiellement enduites d'une mince couche 5 d'argent et/ou d'alliages à base d'argent et qui sont liées ensemble par une matrice à base d'aluminium, et le procédé de production de ces objets. Dans l'industrie des véhicules spatiaux et des fusées, on a de plus en plus besoin de matières réfractaires de construc-10 tion qui présentent des propriétés physiques exceptionnelles, par exemple une faible densité associée à une grande résistance mécanique et une grande rigidité. Les tentatives de production de ces matières réfractaires ont tourné autour de la fabrication d'objets composites. 15 L'une des matières les plus prometteuses actuellement dis ponibles pour l'utiliser sous forme composite comprend des textiles de carbone, étant donné qu'ils ont d'excellentes propriétés réfractaires et sont disponibles dans le commerce sous toutes les formes de textiles connues. Actuellement, on sait comment 20 former des composites de textiles de carbone et de résines. Récemment, on s'est efforcé de former des composites de textiles de carbone et de métaux. La formation de tels composites a principalement pour but d'augmenter la résistance mécanique de la matrice métallique par l'incorporation de fibres de carbone 25 ayant une grande résistance mécanique. L'aluminium a été proposé comme milieu pour former la matrice de composites de fibres de carbone et de métal qui sont destinés à être utilisés dans des applications aéro-spatiales, principalement à cause de sa faible densité. Cependant, les es-30 sais effectués jusqu'ici pour incorporer des fibres de carbone dans une matrice d'aluminium ont eu peu ou pas de- succès- en pratique, du fait que le carbone, en particulier sous sa forme graphitique, n'est pas facilement mouillé par lMLuminium fondu. » La présente invention résout le problème ci-dessus en 35 utilisant un agent intermédiaire d'enduisage ou de mouillage qui, lorsqulil est appliqué aux fibres de carbone, leur permet d'être facilement liées les unes aux autres par une matrice à 69 02881 -2- 2008114 base d'aluminium. D'une façon générale, l'objet composite de fibres de carbone et d'aluminium de l'invention comprend une série de fibres de carbone, dont chacune est revêtue d'une mince couche d'argent, 5 d'un alliage à base d'argent et d'aluminium, ou d'un mélange de ces derniers, et ces fibres sont liées ensemble,-de préférence en relation côte à côte ou parallèle par une matrice ou un liant d'aluminium. D'une façon générale, cet objet composite peut être produit par un procédé qui consiste à enduire des fibres de car-10 bone avec une pellicule d'argent mince, mais essentiellement continue, à mettre les fibres ainsi enduites en contact avec une matière solidifiée à base d'aluminium, à presser à chaud l'ensemble ainsi formé à la température du solidus de la matière à base d'aluminium pour qu'elle s'infiltre autour des fibres en-15 duites et à refroidir les fibres de carbone liées par l'aluminium ainsi obtenues pour produire un objet composite. Cet objet peut être ensuite mis sous n'importe quelle forme voulue par des techniques connues qui sont évidentes pour les spécialistes. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention res-20 sortiront-de la description qui va suivre, faite en regard du-dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ce dessin : la figure 1 est un schéma d'une partie d'un objet composite 25 d'aluminium et de fibres de carbone produit suivant une forme de réalisation préférée de l'invention ; et la figure 2 est une vue schématique à beaucoup plus grande échelle d'une seule fibre du composite de la figure 1. En se référant maintenant en détail au dessin, la figure 1 30 représente une partie d'un objet composite rectangulaire 10 comprenant des fibres de graphite alignées 12 (l'enduit d'argent et la zone occupée par l'aluminium et l'argent n'étant pas représentés) liées ensemble par une matrice d'aluminium 18. Les fibres de graphite 12 sont disposées dans la matrice d'aluminium ,35 en relation parallèle, leur longueur étant perpendiculaire à la surface du dessin. La figure 2 montre une seule fibre de graphite 12 du composite 10 de la figure 1 qui présente, sur sa surface, 69 02881 -3- 2008114 un enduit d'argent 14 et une zone interfaciale 16 d'aluminium et d'argent entre l'enduit d'argent et la matrice d'aluminium 18. Des textiles de carbone de n'importe quelle forme peuvent 5 être utilisés pour la mise en oeuvre de la présente invention. Cependant, il est préférable d'utiliser des fibres de carbone sous forme de fils ou multi-filamentaire. Des textiles de carbone sont disponibles dans le commerce et sont produits d'une façon générale par les techniques décrites dans les brevets des 10 Etats-Unis d'Amérique n° 3-107.152 et n° 3.116.975, entre autres. L'argent peut être déposé sur les fibres de carbone par divers procédés. Les techniques disponibles pour l'accomplir comprennent le dépôt électrolytique à partir d'un bain conducteur, la réduction de sels en métal ou le bombardement. La tech-15 nique exacte de dépôt à utiliser est dictée par un certain nombre de facteurs, le bombardement peut être utilisé sur des formes assez complexes et assure une liaison tenace entre le mince enduit d'argent et le substrat comprenant les fibres de carbone. Une telle liaison est une caractéristique très avantageuse dans 20 des composites comprenant des fibres de carbone et une matrice métallique. L'immersion des fibres de carbone dans une solution contenant de l'argent et la réduction chimique du sel en métal peuvent être également utilisées, cependant, avec cette technique, il est difficile de régler avec précision l'épaisseur de 25 l'enduit d'argent. Le dépôt électrolytique de l'argent à partir d'un bain conducteur constitue un moyen idéal pour enduire des fibres de carbone avec une mince pellicule d'argent et' il constitue le processus préféré, étant donné qu'il assure l'obtention d'un enduit métallique uniforme lié d'une façon tenace. 30 L'exemple suivant illustre en détail la mise en oeuvre préférée de la présente invention. Un fil de graphite à un seul brin se composant de 720 monofilaments, chacun d'eux étant caractérisé par un module moyen G 2 d'élasticité de 2,345 x 10 kg/cm et une résistance moyenne à 4 2 35 la traction de 1,4 x 10 kg/cm , est découpé en plusieurs tronçons de 10 cm. Ces tronçons de fil sont chauffés à 560°C pendant trente secondes dans un four tubulaire qui communique avec l'at 69 02881 ~4~ 2008114 mosphère. les fibres légèrement oxydées sont immédiatement revêtues électrolytiquement par l'argent en les plaçant dans une solution d'amorçage pendant 5 à 10 secondes environ, puis dans une solution de placage classique pendant 5 à 10 secondes 5 environ, le courant de dépôt électrolytique utilisé est d'environ 400 milliampères pour la solution d'amorçage et d'environ 600 à 800 milliampères pour la solution de placage classique. La composition de la solution d'amorçage et de la solution de placage classique est la suivante : 10 Solution d'amorçage 6,5 g/litre de cyanure d'argent (Ag Cil) 68,0 g/litre de cyanure de potassium (ECU") Solution normale 41 g/litre de cyanure d'argent (Ag Cil) 15 40 g/litre de cyanure de potassium (ECU) 11 g/litre d'hydroxyde de potassium (EOïï) 62 g/litre de carbonate de potassium (E„C0~) t d. Les fibres de graphite ainsi enduites sont découpées en tronçons de 25 mm et sont disposées ensuite en relation parallè-20 le entre des couches alternées de clinquant d'alliage d'aluminium mesurant 0,076 x 3,18 x 25,4mm chacun. L'alliage d'aluminium utilisé comprend 4,5 pour cent en poids de cuivre, 0,6 pour cent en poids de manganèse, 1,5 pour cent en poids de magnésium, le reste étant essentiellement de l'aluminium. On utilise deux brins 25 simples du fil enduit d'argent pour chaque couche. La disposition complète comprend trente-deux couches de clinquant et quarante-deux tronçons de 25,4 mm du fil à un seul brin enduit d'argent. On place l'ensemble dans un moule de graphite et le presse à chaud à 157,5 kg/cm sous vide à une température d'environ 550°C 30 pendant une heure. On refroidit ensuite le composite dans le moule jusqu'à la température ambiante et le met ensuite sous forme d'un échantillon de 1,59 x 3,18 x 25,4 mm pour en mesurer les propriétés physiques. Cet échantillon manifeste une résistance 2 moyenne à la traction de 3087 kg/cm et un module de Young de 35 0,91 x 10^ kg/cm^. Le tableau ci-dessous montre l'amélioration obtenue en incorporant des fibres de graphite enduites d'argent dans une 69 02881 -5- 2008114 matrice à base d'aluminium par la technique de la présente invention. TABLEAU PROPRIETES D'UU COMPOSITE D'ALUMIEEUM ET DE FIBRES DE G-RAPHITE Couches d'aluminium dans le composite Module de Résistants en Young ce à la volume 1r,6 . , traction, des * 10 kg/ 2 fibres em2 10 0 24 30 Métal de la matrice 0 fibres enduites d'argent 16 fibres enduites d'argent 28 0,728 0,91 1,071 2527 3087 3969 Les composites produits par la technique de la présente 15 invention sont extrêmement utiles comme matières de construction pour des avions sub-soniques et super-soniques, des éléments de véhicules spatiaux et divers dispositifs de propulsion. Il est évident pour les spécialistes que, bien que la technique préférée de l'invention assure l'obtention d'un objet 20 composite qui comprend des fibres de carbone enduites d'argent liées entre elles par une matrice à base d'aluminium, l'enduit d'argent sur les fibres de carbone peut être transformé en alliage à base d'aluminium et d'argent en recuisant le composite pendant sa fabrication ou après sa conformation. La seule condition 25 est que l'alliage à base d'aluminium et d'argent ne soit pas conformé à une température supérieure au point de fusion de l'enduit d'argent appliqué. Par conséquent, il est évident-que la présente invention assure l'obtention d'un composite d'un type remarquable comprenant des fibres de carbone qui sont enduites soit d'ar-30 gent, soit d'un alliage à base d'aluminium et d'argent, soit d'un mélange des deux, et qui sont liées ensemble par une matrice à base d'aluminium.. Bien que l'exemple ci-dessus concerne un composite comprenant des fibres placées en relation côte à côte, il est évident 35 pour les spécialistes que les fibres de carbone peuvent être orientées au hasard dans la matrice d'aluminium, si l'on désire obtenir des propriétés physiques plus isotropes, sans que ce 69 02881 -6- 2008114 soit aux dépens des avantages de la présente invention. En outre, il est évident qu'on peut faire varier à volonté l'épaisseur de l'argent. La seule condition est qu'il soit suffisamment épais pour empêcher le métal de la matrice d'alu-5 minium de venir au contact des fibres- de carbone de renforcement dans une proportion susceptible d'empêcher toute liaison entre les fibres et le métal de la matrice. Egalement, les techniciens se rendront compte que, bien que les fibres de graphite et les étoffes de graphite soient préférées pour la mise en 10 oeuvre de la présente invention, on peut également avoir recours à des fibres et étoffes de carbone non graphitique. Il convient de noter que, bien que l'invention puisse être mise avantageusement en oeuvre en utilisant de l'aluminium pur comme métal de la matrice, il est préférable d'utiliser un 15 alliage à base d'akminium qui ait une température'de fusion différente. Ces alliages sont bien connus en pratique et ne seront pas décrits en détail dans la présente demande. En outre, il convient de noter que, bien qu'il soit possible de contraindre l'aluminium métallique fondu à s'infiltrer 20 autour des fibres de carbone revêtues.d'argent sans enlever l'argent de ces dernières, le mode de mise en oeuvre préféré de l'invention consiste à provoquer l'infiltration du métal de la matrice autour des filaments en chauffant le métal jusqu'à une température à laquelle il commence à fondre, mais.inférieure à 25 celle à laquelle il devient entièrement liquide, c'est-à-dire à sa température de solidus, et en refoulant ensuite le métal ainsi ramolli de la matrice autour des filaments individuels en appliquant une pression. La pression à appliquer n'a pas une importance particulièrement critique et il suffit qu'elle permette de 30 tasser les fibres et la matière de la matrice sous forme d'un objet essentiellement non poreux. Le terme "carbone", tel qu'on l'utilise dans la présente demande, englobe les formes de carbone à la fois non graphitique et graphitique. 35 Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation.décrites et représentées et est susceptible de recevoir diverses variantes rentrant dans le cadre et l'esprit de 1'invention. 69 02881 -7- 2008114 - KEVEKDICATIQNS - 1 - Objet composite réfractaire, caractérisé en ce qu'il comprend! plusieurs fibrés de carbone liées ensemble par une matrice à "oase d'aluminium, les fibres de carbone présentant un 5 enduit essentiellement continu d'une matière choisie parmi l'argent, des alliages à base d'aluminium et d'argent et leurs mélanges, sur leur surface externe, de façon à empêcher essentiellement la matrice à base d'aluminium de venir en "contact direct avec les fibres de carbone. 10 2 - Objet selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont en graphite. 3 -Objet selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres sont sous forme de fil. 4 - Objet selon la revendication 1 , 2 ou 3, caractérisé en 15 ce que les fibres sont disposées en relation côte à côte parallèle . 5 - Procédé de production d'un objet composite comprenant des fibres de carbone enduites d'un métal et liées par l'aluminium, caractérisé en ce qu'il consiste : 20 (a) à mettre plusieurs fibres de carbone enduites d'argent en contact avec une matière à base draluminium solidifiée (b) à chauffer la masse ainsi formée à la température du solidus de la matière à base d'aluminium et à y appliquer une force suffisante pour contraindre la matière à base d'aluminium 25 de' s'infiltrer autour des fibres enduites d'argent ; et (c) à refroidir le composite ainsi obtenu jusqu'à une température à laquelle la matière à base d'aluminium se solidifie entièrement pour former un objet composite de fibres enduites d'argent liées par l'aluminium. 30 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on dispose les fibres de carbone enduites d'argent en relation parallèle dans un ensemble comprenant des couches alternées des fibres de carbone enduites d'argent et de clinquant à base d'aluminium et en ce qu'on chauffe l'ensemble dans un moule dans 35 une atmosphère inerte. 7 - Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la matière à base d'aluminium est un alliage comprenant 69 02881 -8- 2008114 essentiellement 4,5 pour cent en poids de cuivre, 0,6 pour cent en poids de manganèse, 1,5 pour cent en poids de magnésium, le reste étant essentiellement de l'aluminium. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce 5 qu'on effectue le chauffage soûs vide à une température d'environ 550°C. 9 - Procédé selon revendication 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que l'objet composite de fibres enduites d'argent liées par l'aluminium est chauffé à une. température suffisante pour 10 contraindre une partie au moins de l'argent à s'allier avec une partie au moins de 1'aluminium pour former au moins un enduit partiel d'un alliage à base d'aluminium et d'argent sur les fibres.