Brevet FR2059714A1 — publié le 19710604

i 2059714 la présente invention a pour objet un procédé de fabrication de corps composites ayant une grande résistanue mécanique, une grande rigidité à la flexion et un poids faible, qui se composent d'un corps en matière synthétique placé à l'extérieur et composé de polymères réticulés thermodurcissa-bles, notamment de résines époxy, qui sont renforcés par des fibres à'une grande résistance et ne s'allongeant pas notablement en cas d'échauffement, et d'un corps métallique placé coaxiale-ment et concentriquement-à l'intérieur et présentant une grande élasticité et un rapport élevé entre sa résistance mécanique et son poids spécifique, les deux corps étant reliés à la fois sous l'effet d'un serrage mutuel et mécaniquement. Des corps composites de ce type sont appliqués dans les domaines de la technique oh des composants très résistants ayant un poids aussi faible que possible sont nécessaires. De telles exigences s'appliquent notamment aux rotors de centrifugeuses tournant rapidement. On a essayé de réaliser des rotors de centrifugeuses en une matière synthétique renforcée par des fibres de verre et de renoncer au tube métallique disposé concentriquement à l'intérieur et présentant une grande rigidité à la flexion. le bandage de matière synthétique renforcée par des fibres de verre est dans ce cas enroulé en forme d,hélice sur un mandrin. Il s'est cependant avéré que la matière synthétique .renforcée par des fibres de verre des rotors ainsi fabriqués ne peut pas avoir la rigidité à la flexion et la résistance qui sont nécessaires aux vitesses périphériques élevées (supérieures à 450 m/s). On connaît en outre des rotors pour centrifugeuses qui sont réalisés sous forme de corps composites dont le corps intérieur est formé par un tube métallique de grande rigidité qui est entouré concentriquement par un tube de matière synthétique renforcée par des fibres. La matière synthétique formée par des résines thermodurcissables, par exemple des résines époxy, sont renforcées ces derniers temps par des fibres de carbone qui présentent non seulement d'excellentes caractéristiques mécaniques et un faible poids spécifique, mais qui ont également la propriété de se dilater fortement dans le sens transversal à la longueur des fibres en cas d'échauffement, e-t de se raccourcir même légèrement 70 31019 2 2059714 dans le sens de la longueur» La fabrication des rotors composites connus d'après le procédé appliqué jusqu'à présent s'effectue de la manière suivante : Sur un tube métallique dont la surface exté-5 rieure est pourvue d'une couche de liaison (adhésif), on enroule à la température ambiante la matière synthétique renforcée par des fibres de carbone, et on fait ensuite durcir cette matière sur le tube métallique, à une température plus élevée. En raison des différents coefficients de dila-10 tation thermique des composants utilisés, qui sont de l'ordre de 11 à 25.10"^ pour le métal, de -1.10""^ dans le sens de la longueur des fibres de carbone, de 25» dans le sens transversal des fibres de carbone, et qui peut —fi —1 atteindre 60 . 10" Z"*0""-/ pour la matière synthétique (matrice), 15 les difficultés provoquées par les dilatations différentes dans le sens de la longueur sont considérables. Lors de l'augmentation de température qui est nécessaire pour le durcissement de la matrice, tous les composants s'allongent conformément à leur coefficient de dilatation, 20 tandis que la résine durcit déjà pendant cette phase du traitement, mais reste encore si visqueuse que les allongements sont possibles sans provoquer de contraintes internes. Il est à noter que l'élargissement radial du tube métallique intérieur n'est gêné que partiellement par le 25 bandage formé par les fibres, étant donné que 1'emplacement de ces dernières dans la structure résineuse n'est pas encore tout à fait fixé. Le tube métallique se dilate dans le sens radial et dans le sens axial, tandis que le bandage de fibres ne se déforme pas flans le sens radial et se dilate seulement axialement. 30 Lors du refroidissement à partir de la tempéra ture de durcissement, le tube métallique intérieur se contracte radialement, tandis que le bandage de fibres ne se déforme pas et provoque de ce fait une sollicitation à la traction dans la couche d'adhésif entre le métal et le bandage de fibres, ce qui 35 se traduit par des décollements locaux ou complets. La situation est 1'inverse dans le sens axial caxf dans ce sens,,les coefficients de dilatation thermique du bandage de fibres sont plus élevés que ceux du métal ; autrement dit, le bandage de fibres se contracte plus fortement lors du 40 refroidissement et provoque en outre une sollicitation au 70 31019 3 2059714 cisaillement de la couche d'adhésif. Ces conditions de dilatation ont pour effet, pour le cas où. la couche d'adhésif résiste, que des contraintes internes se produisent, notamment des contraintes de traction 5 axiale dans le bandage de fibres, qui provoquent des fissures dans la résine, soit directement soit en combinaison avec des sollicitations à la flexion pendant le service. Le second cas se traduit par le décollement local ou complet des. deux parties si la contrainte de traction radiale admissible entre le tube 10 métallique et le bandage de fibres est dépassée. Les deux phénomènes sont des inconvénients qui ne peuvent en aucun cas être acceptés, pour des raisons de sécurité, dans des corps composites utilisés sous forme de rotors à vitesse de rotation élevée dans les centrifugeuses. 15 Le but de l'invention est de fournir des corps composites de métal et de matières synthétiques thermodurcissa-bles renforcées par des fibres, ces corps devant avoir une grande résistance et une rigidité à la flexion élevée, ils doivent également convenir pour des vitesses périphériques élevées, et 20 leurs composants doivent rester solidement attachés les uns aux autres aux températures, aux vitesses de rotation et sous les contraintes mécaniques qui se produisent pendant le service. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu par le fait que le corps creux en matière synthétique ren-25 forcée par des fibres, formé par enroulement sur un mandrin de forme stable, est durci à chaud sous une température élevée, et le corps métallique est poussé ou tiré à basse température dans le corps en matière synthétique, après l'enlèvement du mandrin d'enroulement, 1'échauffement subséquent à la température ambian-30 te ou de service produisant des contraintes de compression axiale et des contraintes de traction radiale dans le corps en matière synthétique, en raison de la différence entre les coefficients de dilatation du métal et du bandage en matière synthétique renforcée par les fibres de carbone, contraintes au moyen desquelles 35 il est possible d'obtenir une liaison à la fois sous l'effet d'un serrage mutuel et par voie mécanique entre le corps métallique et le corps en matière synthétique, ceci dans n'importe quelles conditions de service. Selon une autre caractéristique de l'invention, 40 le corps métallique est poussé ou tiré dans le cylindre de matière 70 31019 4 2059714 synthétique dans un bain de trempage contenant un gaz inerte (gaz cryogène) liquéfié à "basse température. Il est en outre essentiel pour l'objet de l'invention que la matrice de matière synthétique soit renforcée 5 par des fibres de carbone, et que le corps métallique soit en titane, béryllium, alliage d'aluminium ou en acier ayant une haute résistance. Après le durcissement à chaud, le corps en matière synthétique est plongé dans un bain cryogène oèi son dia--^Q mètre reste constant, mais où. sa longueur devient notablement plus courte. Le corps métallique est ensuite disposé concentriquement dans le cylindre de matière synthétique et ce corps métallique est contracté radialement à tel point, sous la basse température du gaz liquéfié à froid, qu'il se forme un jeu entre le corps métallique et le corps (tube) en matière synthétique. Après que le corps composite a quitté le bain de trempage, donc lorsqu'il s'échauffe pour atteindre finalement la température ambiante ou de service, ses composants changent à la fois dans le sens radial et dans le sens axial. Le 2Q corps métallique se dilate conformément à son coefficient de dilatation et s'applique contre le tube de matière synthétique qui l'entoure, dans lequel sont produites des contraintes de traction agissant radialement, du fait que son diamètre ne change ' pas. 25 En raison de la différence entre les coefficient de dilatation du métal et de la matière synthétique, l'échauf-fement après la sortie du bain de trempage a pour effet que la partie en matière synthétique s'allonge fortement et que la partie métallique s'allonge dans une mesure plus faible. 2Q Cet allongement des deux matières se poursuit de façon linéaire jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de jeu entre le métal et le bandage en matière synthétique renforcée par des fibres de carbone. Lorsque la surface extérieure du tube métallique touche la surface intérieure du bandage en matière syn-35 thétique renforcée par des fibres de carbone, à une température déterminée, il existe un état dans lequel la force de frottement (adhérence entre le métal et la surface de la matière synthétique) est supérieure à la force de cisaillement que devrait exercer le corps en matière synthétique, qui s'allonge plus 40 fortement, pour se détacher ou pour glisser sur le corps 70 31019 5 2059714 métallique s'appliquant contre lui. L'allongement du bandage en matière synthétique renforcée par des fibres de carbone est limité & l'allongement axial du corps métallique, de sorte que les deux corps se dila-5 tent de façon identique et ont la même longueur, au fur et à mesure que l'échauffement progresse. Cela se traduit par un é-tat «favorable quant aux contraintes internes, constituées par des contraintes de compression axiale dans le tube en matière synthétique se trouvant, à l'extérieur, et par des contraintes 10 de traction dans le tube métallique disposé concentriquement à 1'inférieur. Le tabe métallique s'applique en outre radialement contre le tube en matière synthétique qui a tendance à conserver son diamètre à toutes les températures pouvant se présenter pendant le serviceo 15 Le procédé selon l'invention pour la fabrica tion d'uh corps composite a l'avantage que la liaison entre le métal ét la matière synthétique renforcée par des fibres de carbone est assurée à tout moment sous l'effet des contraintes internes et par voie mécanique. En raison des contraintes de com-20 pression axiale qui s'exercent dans le bandage en matière synthétique renforcée par des fibres de carbone, le corps composite peut également être sollioité à la traction ou à la flexion, sans formation de fissures transversales. Le corps composite fabriqué conformément à l'in-25 vention convient non seulement pour des rotors cylindriques de centrifugeuses tournant à grande vitesse, mais également pour tous les domaines de la technique oiz des composants doivent avoir une grande résistance mécanique et un faible poids, tels que la construction de récipients sous pression, de véhicules automobi-30 les, etc. Comme le bandage en matière synthétique peut être déformé à volonté, le constructeur peut choisir librement le profil et la section transversale du corps composite. Le domaine d'application le plus important des corps composites fabriqués suivant le procédé de l'invention est 35 cependant la construction de centrifugeuses dont les rotors doivent assurer un fonctionnement sQr même à des vitesses de rotation extrêmement élevées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va 40 suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif,ainsi 70 31019 6 2059714 que de la figure unique du dessin annexé, représentant une coupe longitudinale d'un corps composite cylindrique. Le bandage tubulaire 1 en matière synthétique renforcée par des fibres de carbone, dans laquelle les fibres de carbone 4 (indiquées par quelques points ) sont noyées dans le sens périphérique, entoure concentriquement le tube métallique 2 et est relié à ce dernier à la fois sous l'effet d'un serrage mutuel et mécaniquement, à la surface de contact 3o Les flèches du dessin indiquent les contraintes internes produites à la température ambiante ou de service ; il s'agit des contraintes de compression axiale A dans le bandage extérieur 1 formé par la matière synthétique renforcée par des fibres de carbone, des contraintes de traction tangentielles produites par B, et des contraintes de traction axiale C dans le corps métallique intérieur 2. 70 31019 7 2059714 REVENDICATIONS 10 Procédé de fabrication de corps composites ayant «ne grande résistance mécanique, une grande rigidité à la flexion et un poids faible, qui se composent d'un corps en ma-5 tière synthétique placé à l'extérieur et composé de polymères réticulés thermodurcissables, renforcés par des fibres d'une grande résistance qui ne s'allongent pas notablement en cas d'échauffement, et d'un corps métallique placé coaxialement et concentriquement à l'intérieur et présentant une grande élasticité 10 et un rapport élevé entre sa résistance mécanique et son poids spécifique, les deux corps étant reliés à la fois sous l'effet d'un serrage mutuel et mécaniquement, caractérisé en ce que le corps creux en matière synthétique renforcée par des fibres, formé par enroulement sur un mandrin de forme stable, est durci 15 à chaud sous une température élevée, et en ce que le corps métallique est poussé ou tiré à basse température dans le corps en matière synthétique, après l'enlèvement du mandrin d'enroulement, l'échauffement subséquent à la température ambiante ou de service produisant des contraintes de compression axiale et des contraint» 20 de traction radiale dans le corps en matière synthétique, en raison de la différence entre les coefficients de dilatation du métal et du bandage en matière synthétique renforcée par les fibres de carbone, contraintes au moyen desquelles s'établit une liaison à la fois sous l'effet d'un serrage mutuel et par voie 25 mécanique entre le corps métallique et le corps en matière synthétique, dans n'importe quelles conditions de service. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice en matière synthétique est renforcée par des fibres de carbone. 30 3» Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps métallique est en titane, béryllium, alliage d'aluminium ou acier à grande résistance. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps métallique est poussé ou tiré dans le cylindre 35 creux en matière synthétique dans un bain de trempage contenant un gaz inerte (gaz cryogène) liquéfié à basse température. 5. Rotor destiné à une centrifugeuse, caractérisé en ce qu'il est fabriqué d'après un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et en ce qu'il est composé d'un 70 31019 8 2059714 corps creux en matière synthétique renforcée par des fibres de carbone qui est durci à chaud, et d'un corps métallique placé concentriquement à l'intérieur, un jeu radial existant aux basses températures et une différence de longueur entre le corps métallique et le corps en matière synthétique étant supprimés avec formation d'une liaison par serrage mutuel et d'une liaison mécanique à la température de service normale, par suite de la différence des coefficients de dilatation des composants des deux corps.