Brevet FR2099674A1 — publié le 19720317

La présente invention concerne un article composite à filaments orientés et un procédé pour former cet article, et plus particulièrement un article comportant une matière en filaments d'une résistance élevée et un procédé pour former cet article. 5 Des matières en filaments d'une grande résistance parmi lesquelles les fibres de carbone et les fibres de graphite sont particulièrement utiles pour la préparation des articles composites en carbone et résine époxyde. Ces articles composites sont en général préparés en mélangeant 50 % à 70 % en poids de fibres avec 50 % à 30 % en poids d'un liant en polymère classique 10 en tant que matière formant une matrice. Ces structures sont préparées d'une façon connue par un cycle comportant le chauffage, le traitement sous vide et le moulage sous pression, ce qui donne des articles composites légers mais ayant une excellente résistance à la flexion. Cependant, des problèmes importants existent avec ce procédé classique de préparation et pour l'article 15 composite résultant du fait que l'assemblage dense et l'orientation des fibres parallèlement les unes aux autres ne sont pas obtenus dans l'article composite, ce qui se traduit par un volume de vide supérieur à 3 % et, d'autre part, le procédé est compliqué et coûteux. La présente invention a pour objet un article composite en 20 filaments orientés supérieur et un procédé peu coûteux pour former cet article, en éliminant les problèmes considérés ci-dessus. L'invention a aussi pour objet un article composite à filaments orientés assemblés de façon serrée et dans lequel les filaments, sont orientés parallèlement les uns aux autres de façon que le volume de vide 25 soit substantiellement réduit, et un procédé simple et peu coûteux pour former cet article. Suivant un aspect de l'invention, le procédé pour former un article composite à filaments orientés consiste à former un ensemble de filaments de grande résistance long, à appliquer un liant pour former une 30 masse composite longue, à appliquer un moule poreux flexible sur la masse composite, à comprimer radialement la masse composite en exerçant une force de traction sur le moule dans le sens longitudinal de la masse pour aligner et resserrer de façon dense les filaments de grande résistance et pour extraire le liant en excédent à travers le moule poreux et à durcir le 35 liant pour obtenir l'article composite à filaments orientés. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel : 71 27936 2 2099674 - la figure 1 est une vue en élévation latérale montrant une partie d'un moule poreux flexible et une partie de filaments longs de grande résistance dans le mouie selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 est une vue en élévation de la structure de la 5 figure 1 après mise sous tension du moule et des filaments conformément à l'invention, - la figure 3 est une coupe transversale d'un article composite à filaments orientés obtenu par le procédé selon 1'invention,et - la figure 4 est une vue en élévation latérale d'une partie 10 d'un moule flexible et d'une partie des filaments selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente une partie d'un moule poreux flexible 10 sous la forme d'une tresse de fibres de verre qui est coupée en 11 pour montrer la matière en filaments longs de grande résistance 12, avec un 15 liant pour constituer une masse composite longue à l'intérieur du moule 10. La matière en filaments 12 est représentée formée d'un grand nombre de boudins 13, chacun comportant un grand nombre de fibres ou filaments longs en matière d'une grande résistance telle que du graphite ou du carbone. Un liant en matière polymère, non représenté, est appliqué sur la matière 12 20 avant qu'elle soit positionnée partiellement dans le moule 10. La figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 après que la masse composite de matière 12 et de liant a été comprimée radialement en exerçant une force de traction sur le moule 10 dans la direction de la longueur de la masse. Cette opération aligne lés fibres et les resserre de 25 façon dense. Le liant en excédent échappe à travers le moule poreux 10. La figure 3 est une coupe à plus grande échelle d'un article composite à filaments orientés résultant des opérations décrites ci-dessus. L'article composite comporte des fibres longues resserrées de façon dense sous la forme d'un certain nombre de boudins 13 liés par un liant 14. Une 30 enveloppe 15 adhère fermement à la surface extérieure du matériau 12 formé par les filaments. La figure 4 représente une partie- d'un moule poreux flexible modifié 16 formé par au moins un ruban de matière poreuse flexible. Le matériau filamenteux 12 formé par des boudins 13 avec du liant pour produire la masse 35 composite est situé dans le moule 16. L'extrémité supérieurs -dfes boudins 13 est représentée ténue initialement par un support convenable- 17. la partie supérieure des boudins 13 a été comprimée radialement :en exerçant sur le moule 16 une force de tracÈion dans la direction de la longueur de la masse. 71 27936 3 .2099674 Le moule 16 n'a pas encore été appliqué sur la partie inférieure de la masse. Il a été constaté qu'il est possible de former un article composite à filaments orientés en formant un matériau en filaments longs 5 de grande résistance comprenant des fibres de carbone ou des fibres de graphite qii sont disponibles commercialement et qui sont en général appelées des fibres de carbone. Ces fibres sont disponibles sous la forme de boudins, chacun comportant un grand nombre de fibres de carbone longues individuelles. Par exemple, des boudins contenant 10.000 fibres de carbone 10 longues sont disponibles commercialement sous la marque Modmor I et sont produits par Morganite Research and Development Ltd, Londres, Angleterre et sont vendus aux Etats-Unis d'Amérique par Whittaker Corporation, Costa Mesa, Californie. Une résine de polymère est appliquée sur le matériau filamenteux 15 pour produire une masse composite longue avant l'application du moule. Bien que différentes quantités de liant puissent être utilisées, un mélange de 50 7» à 70 % en poids de filaments de carbone et de 50 % à 30 % en poids de résine est préférable. Des liants en résines sont des liants tels que ceux utilisés habituellement pour former les articles composites, par exemple des résines 20 époxydes, des polyimides, des polyesters, etc. Bien que les fibres de verre soient la matière préférée pour former la gaine constituant le moule poreux flexible selon l'invention, différents autres matériaux peuvent être utilisés car la structure poreuse flexible est fixée par un tissu tressé, tricoté ou tissé. De plus, une 25 gaine en fibres de carbone ou une gaine en fils métalliques, qui sont actuellement utilisés pour les câbles coaxiaux, peuvent Être utilisées comme moules poreux flexibles. Les gaines et les tubes sont définis par la norme ASTM D12B-67. La gaine est, un tissu tressé, tricoté ou tissé de forme cylindrique d'une largeur inférieure à 100 mm et d'une circonférence 30 inférieure à 200 mm. Le tube est défini d'une façon similaire sauf que sa largeur doit être d'au moins 100 mm et sa circonférence d'au moins 200 mm. Il a été constaté que la masse composite doit être comprimée radialement en exerçant une force de tracti.on sur le moule dans la direction de la longueur de la mass-e pour aligner et pour resserrer de façon dense la 35 matière en filaments de grande résistance contenue dans le moule et pour l'enlèvement du liant en excédent à travers le moule poreux. La force de traction peut être exercée, sur les extrémités opposées du moule de différentes façons. Par exemple, les- extrémités opposées du moule peuvent 71 27936 4 2099674 être tirées dans des sens opposés pour exercer cette force de traction. En second lieu, une extrémité du moule peut être fixée à un support fixe et l'autre extrémité du moule peut être tirée dans le sens opposé pour exercer la force de traction. Une autre façon d'exercer la force de traction consiste 5 à fixer une extrémité du moule à un support fixe et à accrocher un poids à l'autre extrémité pour assurer la force de traction. Quand la force de traction est exercée sur le moule de la façon décrite ci-dessus, le liant en excédent s'écoule vers l'extérieur à travers le moule poreux. Il est préférable d'enlever le liant en excédent ayant 10 traversé le moule poreux simplement en essuyant la surface extérieure. Le liant est partiellement ou complètement durci pendant que la force de traction est maintenue. Il a été constaté, par exemple, que le moule tendu par la force de traction peut être maintenu dans ces conditions pendant une nuit à la température ambiante, le liant étant ensuite complè-15 tement durci. Le temps nécessaire pour le durcissement du liant dépend bien entendu du type de polymère utilisé pour le liant. Le liant peut aussi être partiellement durci pour permettre d'unir l'article composite avec un certain nombre d'articles similaires, le liant étant ensuite durci complètement pour former un article plus massif. Après le durcissement du liant, 20 le moule poreux flexible forme une enveloppe poreuse adhérant fermement à la surface extérieure du matériau filamenteux. Il a été constaté aussi que, pendant l'opération de traction avant le'durcissement partiel ou complet du liant, une force transversale peut être exercée au moins dans une direction sur au moins une partie du 25 moule, afin de déformer une partie du moulé contenant la masse composite et que cette force transversale peut être maintenue jusqu'au durcissement partiel ou complet du liant. De cette façon, la force transversale est exercée dans une direction ou dans plus d'une direction pour modifier le profil de l'article composite en filaments orientés de la forme d'une tige à 30 une autre forme. Il a été constaté de plus que des forces transversales peuvent être exercées sur le moule avant le durcissement partiel ou complet du liant et de maintenir ces forces transversales jusqu'au durcissement partiel ou complet du liant pour obtenir un article à filaments orientés ayant la forme d'un ruban. 35 L'invention est illustrée plus particulièrement par les exemples suivants : 71 27936 5 2099674 EXEMPLE 1 Un article composite à filaments orientés est formé de la façon décrite ci-dessus par rapport aux figures 1 à 3. Quatre boudins en filaments de carbone sont revêtus d'un mélange de résine époxyde Epon Epoxy 823 et 5 Epon Epoxy qui sont fabriquées par la Shell Chemical Company, New York, New York, E.U.À. Ces boudins de filaments, chacun contenant 10.000 filaments de carbone longs, sont des fibres Modmor I considérées ci-dessus„ Le moule poreux flexible est une longueur de gaine en fibres de verre d'une largeur de 3,2mm et d'une épaisseur d'environ 0,7mm. La longueur de la gaine est 10 d'environ 550 mm. Les quatre boudins de filaments de carbone sont ensuite fixés à une extrémité à une tige en métal qui est passée" avec les- boudins fixés à travers la gaine en fibres de verre ayant .une longueur supérieure par exemple de 100 à 150 mm à celle des boudins. Pour exercer la force de traction 15 sur le moule, une extrémité de la gaine est fixée à un support fixe et un poids de 4,5 kg est fixé à l'extrémité opposée de-la gaine, La résine en excédent ayant traversé la gaine est enlevée par simple essuyage. Le liant est laissé pour le durcissement complet pendant une. nuit à la température ambiante. L'article composite à filaments orientés résultant a un diamètre 20 d'environ 2,5ram et une longueur d'environ, 500 mm avec une enveloppe poreuse formée par la gaine en fibres de verre, cet article contenant une fraction de filaments de 65 % à 15 7° en volume. EXEMPLE_2 25 Un article composite en filaments orientés est formé d'une façon générale suivant l'exemple 1. Avant le durcissement du;liant en une nuit, une force transversale est exercée sur une partie du moule dans une seule direction perpendiculaire à l'axe du moule en plaçant une barre fixe contre le moule. De cette façon, une partie du moule est légèrement cintrée 30 à partir de sa forme normale longitudinale. Après durcissement complet du liant, l'article composite à filaments orientés résultant et portant .1'enveloppe poreuse comporte une. dépression en un point de la surface avec une forme.comportant une partie faible en V dans la tige. 35 EXEMPLE_3.. . Un article composite à filaments orientés est formé d'une façon générale suivant l'exemple 1. Avant le durcissement du liant en une nuit, les forces transversales sont exercées dans des directions opposées sur une 71 27936 6 2099674 partie du moule. Ce résultat est obtenu au moyen de deux plaques serrées sur le moule. Après durcissement complet et démontage des plaques de la façon décrite dans les exemples 1 et 2, l'article composite à filaments orientés résultant avec une enveloppe poreuse comporte une partie en forme 5 de ruban, le reste de l'article ayant la forme d'une tige. EXEMPLE_4 Un article composite à filaments orientés est formé de la façon décrite dans l'exemple 1. Le liant est durci partiellement seulement. 10 L'article résultant est similaire à celui de l'exemple 1 mais il est collant. EXEMPLE_5 Un article composite à filaments orientés est formé dé la 15 façon décrite dans l'exemple 1 mais d'après la figure 4. Le moule poreux flexible utilisé dans ce cas est un ruban de cbton tissé qui est appliqué sur le boudin de filaments de carbone. La force de traction est exercée pour que la résine en excédent traverse le moule. Le liant est pô-lymérisé complètement en une nuit. La structure résultante est similaire à celle 20 de l'article de l'exemple 1. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre siivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 71 27936 7 2099674 ' R_E VENDICATIONS 1. Procédé pour former un article composite à filaments orientés, caractérisé par la formation d'un ensemble de filaments longs d'une grande résistance, l'application d'un liant sur ces filaments pour produire une 5 masse composite longue, l'application d'un moule poreux flexible sur la masse composite, la compression radialement de la masse composite en exerçant une force de traction sur le moule dans la direction de la longueur de la masse afin d'aligner et de resserrer de façon dense les filaments de grande résistance à l'intérieur du moule et d'extraire le liant en excédent 10 à travers le moule poreux et le durcissement du liant pour obtenir l'article composite à filaments orientés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liant est durci partiellement seulement. 3. Procédé selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le 15 moule poreux flexible est formé d'au moins un ruban d'un matériau flexible. 4. Procédé selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moule poreux flexible est une gaine aa fibres de verre. 5. Procédé selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moule poreux flexible est une gaine.en fils métalliques. 20 6. Procédé selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moule poreux flexible est une gaine en fibres de carbone. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé par l'application d'une force transversale au moins dans une direction sur au moins une partie du moule avant le durcissement du liant 25 afin de déformer cette partie du moule et la masse composite contenue dans cette partie, cette force transversale étant maintenue jusqu'au durcissement du liant. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par l'application de forces transversales dans des directions 30 opposées au moins sur une partie du moule avant le durcissement du liant et le maintien de ces forces transversales jusqu'au durcissement du liant pour obtenir une forme en ruban de cette p.rtie du moule contenant la masse composite. 9. Article composite à filaments orientés, caractérisé par un 35 grand nombre de filaments longs, un liant maintenant ces filaments parallèles les uns aux autres et une enveloppe poreuse adhérant fermement à la surface extérieure de la masse à filaments orientés. 71 27936 8 2099674 ' 10. Article selon la revendication 9, caractérisé en ce que du liant est durci partiellement. 11. Article selon revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'enveloppe poreuse est formée par au moins un ruban en matière flexible. 5 12. Article selon revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'enveloppe poreuse est une gaine en fibres de verre. 13. Article selon revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'enveloppe poreuse est une gaine en fils métalliques. 14. Article selon revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que 10 l'enveloppe poreuse est une gaine en fibres de carbone. 15. Article selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'article a la forme d'un ruban.