Brevet FR2073361A1 — publié le 19711001

On sait que lorsqu'on soumet un matériau composite renforcé par des fibres, constitué par une série de fibres pratiquement parallèles placées dans une matrice, à un effort de cisaillement longitudinal, la résistance du matériau dans ces conditions dépend de la résistance de la liaison entre les fibres et la matrice.l)es liaisons de faible résistance se traduisent par des ruptures de la matière par cisaillement sous l'effet de faibles tractions. Lorsqu'on exerce des efforts de traction perpendiculairement à la direction des fibres la rupture se produit également pour de faibles tensions lorsque la résistance de la liaison de la fibre à la matrice est faible. Pour obtenir un matériau composite ayant une résistance élevée dans les conditions de traction ci-dessus, il est donc nécessaire que la résistance de la liaison interfaciale soit aussi élevée que possible. D'autre part, lorsqu'on soumet des matériaux composites à une traction dans une direction parallèle à celle de la fibre, on peut constater que, toutes choses égales d'ailleurs, l'énergie absorbée lors de la rupture du matériau augmente lorsque la résistance de la liaison entre la fibre et la matrice diminue. Pour obtenir une absorption maximum d'énergie sous l'effet d'un effort de traction longitudinal il est donc souhaitable que la résistance de la liaison entre la fibre et la matrice soit faible0 Comme la plupart des matières fibreuses composites ont à supporter lors de l'utilisation diverses conditions d'efforts, il était nécessaire jusqu'ici d'utiliser une liaison interfaciale de valeur intermédiaire, de telle sorte que la matière ait une résistance raisonnable dans des conditions variables d'efforts0 L'invention a pour but de supprimer ou de diminuer cet inconvénient. L'invention a pour objet un matériau composite constitué d'une matrice renforcée par plusieurs éléments renforçateurs,chacun des dits éléments comportant une enveloppe extérieure entourant au moins un élément intérieur, la résistance au cisaillement de la liaison interfaciale entre ladite enveloppe extérieure et ladite matrice étant supérieure à la résistance au cisaillement de la liaison interfaciale entre ladite enveloppe extérieure et le-ou les éléments intérieurs0 Normalement il n'existe qu'un élément intérieur qui peut entre tubulaire ou plein. De préférence, la résistance au cisaillement de la liaison interfaciale entre l'enveloppe et le ou les éléments intérieurs diminue lorsque la tension de traction du produit augmente. On obtient ainsi des interfaces distinctes pouvant avoir des valeurs optimales de résistance au cisaillement correspondant aux deux catégories d'efforts précédemment indiquées.Normalement,les éléments renforçateurs ont une section transversale circulaire mais l'invention s'applique également à des éléments ayant des sections transversales de formes diverses. Dans un des exemples de matériaux composites renforcés par des fibres selon l'invention, les fibres renforçatrices sont constituées de deux parties, à savoir une ame cylindrique entourée d'une enveloppe circulaire. L'enveloppe extérieure est liée fortement à la matrice et a donc une résistance élevée au cisaillement et aux efforts de traction transversaux. Donc, dans ces conditions d'efforts, la résistance de la matière est due essentiellement aux enveloppes tubulaires et partiellement à la solidité des rimes dont les interfaces sont liées de façon relativement faible aux enveloppes extérieures mais qui en limitent la déformation. Lorsque s'exerce un effort de traction longitudinal,on peut s'attendre à ce que la rupture de l'enveloppe extérieure de chaque fibre entratee une rupture locale de la matrice qui lui est fortement fixée, et inversement on peut s'attendre à ce que des craquelures de la matrice se propagent en entrainant la rupture de 1' en veloppe extérieure des fibres. Cependant, comme l'amie intérieure de chaque fibre n'est fixée que faiblement à l'enveloppe extérieure, les craquelures ne peuvent se propager à travers cette interface. Donc laine des fibres tend à former un pont renforçant une craquelure transversale provoquée par une tension longitudinale et à transmettre la tension d'une surface de la craquelure à l'autre.Rga- lement, pour une répartition donnée des flexions dans les azymes des fibres, la faible résistance au cisaillement de l'Interface sépa- rant l'ame de l'enveloppe favorise la rupture des ames de la fibre en des positions éloignées du plan de la craquelure.De la sorte, la longueur moyenne des fibres arrachées de la matrice lors de la rupture, dont lténergie absorbée lors de la rupture,augmente avec la résistance à la rupture de la matière Bien que l'invention ne se limite pas à certaines valeurs de résistances ni à certaines valeurs relatives des surfaces transversales de l'âme et de l'enveloppe,il semble que la surface transversale de l'enveloppe puisse entre de l'ordre de 20 à 3096 de celle de la totalité de la surface transversale de une et de l'enveloppe. Ainsi, le matériau composite de l'invention réunit une liaison de forte résistance vis-a-vis de certains modes de rupture et une liaison de faible résistance pour d'autres modes de rupture0 On peut apporter diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, on sait que la rigidité de cisaillement d'une matière composite renforcée par des fibres pour un pourcentage volumique de fibres couramment utilisé, c'est-à-dire constituant de 50 à 60% de la surface transversale totale de la matière, n'est pas modifiée de façon importante par les modules élastiques des fibres renforçatrices si bien que l'utili ation d'âmes tubulaires et non dames pleines ne diminue pratiquement pas la rigidité de cisaille- ment de la matière dans ces conditions d'efforts. De plus, chaque fibre renforçatrice peut être constituée de plusieurs éléments concentriques, l'enveloppe externe étant fortement liée à la matrice et une ou plusieurs des couches internes etant liées plus faiblement l'une à l'autre.On peut également réaliser la ou les liaisons faibles de telle sorte que la résistance au cisaillement diminue lorsque la tension de traction augmente comme décrit dans la demande de brevet N0 7 032 188-. On peut à cet effet utiliser par exemple une spirale entourant ltame d'une fibre, la tension de cisaillement étant transmise par l'intermédiaire de 11interface entre la spirale et laine par les forces de friction créées par la pression hydrostatique exercée à l'extérieur de la spirale par la contraction thermique de la matrice environnante0 De préférence, on annule la résistance de cisaillement pour une tension de traction juste inférieure à la limite de résistance de traction de l'âme. L'invention s'applique bien entendu à des matières dans lesquelles la liaison de faible valeur a une résistance au cisaillement constante, On peut réaliser les éléments renforçateurs de diverses façons. Par exemple, ils peuvent entre constitués par plusieurs fibres indi videlles, en carbone ou en verre, enrobées dans une matrice telle qu'une résine époxy et entourées par exemple d > un tube métallique. On peut utiliser des tubes de section hexagonale permettant d'obte nir des garnitures de forte densité, les tubes métalliques étant fortement liés ensemble par l'adhésif constituant la matrice, et les rimes des faisceaux de fibres étant moins fortement liées aux tubes de métal mais apportant une rigidité longitudinale et une résistance à la structure. Selon une autre technique, on dépose du bore sur un substrat fi breux en couches successives selon un procédé de dépôt par vaporisations successives. On peut introduire une couche intermédiaire de carbone par exemple de façon à empecher la liaison entre les couches voisines et obtenir une fibre à enveloppe unique ou multiples La résistance au cisaillement des liaisons séparant les couches successives est déterminée par les caractéristiques de la couche in termédiaire de carbone On peut également réaliser des fibres ren forçatrices en extrudant à la fois l'âme et l'enveloppe en un produit convenable précurseur d'une fibre de carbone avec une couche intermédiaire de structure modifiée donnant après pyrolyse de l'ensemble de la fibre, une fibre de carbone moins bien ordonnée et moins résistante. Un autre procédé consiste à déposer par vaporisation ou par d'au- tres techniques, du bore, du carbure de bore, du carbure de silicium ou d'autres matières céramiques dures et rigides sur un substrat constitué d'une fibre de carbone ayant un module élevé. Selon ce procédé la fibre finale est constituée par une ame de carbone ayant une résistance et une rigidité élevées et une enveloppe uniforme constituée par exemple de bore ou de carbure de bore fixée à l'interface de façon relativement faible. Les exemples ci-dessus ont été décrits en ce qui concerne des âmes de fibres ayant des surfaces relativement lisses, tandis qu'en pratique les surfaces sont irrégulières et que si l'enveloppe s'adapte à ces irrégularités il risque de se produire un coincement gazant le libre glissement relatif de l'amie et de 11 enveloppe lors de la séparation de l'interface à faible liaison ce qui diminue l'intérêt d'une liaison faible en ce qui concerne la propagation des craquelures sous l'effet des tensions longitudinales.Pour supprimer cette difficulté, on peut réaliser l'attaque chimique de l'0me de la fibre pour diminuer la hauteur relative des irrégulari tésO On peut effectuer ce traitement sur le précurseur de la fibre textile avant la pyrolyse conduisant à une fibre de carbone, ou après pyrolyse et avant dépôt de l'enveloppe. Après pyrolyse, on peut réaliser l'attaque par oxydation dans l'air ou dans un gaz contenant de ltoxygène à une température de quelques centaines de degrés centigrades. Sinon, on peut réaliser l'attaque en utilisant un acide tel que l'acide nitrique. Suivant une variante avantageuse, on dépose une couche physique intermédiaire sur l'ame de la fibre pour constituer une surface externe plus lisse sur laquelle on peut déposer la matière de l'en- enveloppe0 Une telle couche devra avoir une résistance mécanique faible de telle sorte qu'elle se comporte essentiellement comme un lubrifiant sec et on peut fort bien utiliser une couche mince de graphite pyrolytiqueO On peut déposer par exemple la couche de graphite par vaporisation ou par pyrolyse d'une pellicule polymère déposée préalablement sur un substrat fibreux carboné. Lorsqu'on utilise une substance polymère conservant sa forme initiale lors de la pyrolyse, une partie des gaz dégagés lors de la pyrolyse diffuse hors de la pellicule polymère vers l'interface de la pellicule et de la fibre créant ainsi une pression qui tend à séparer la pellicule de I'âme de la fibre formant ainsi à l'inter- face la liaison lâche recherchée.En réglant convenablement le trai tement thermique utilisé pour réaliser la pyrolyse, on peut contra- ler la vitesse de libération des gaz et ainsi la nature de l'interface. I1 est ainsi possible de régler la séparation de la couche intermédiaire de l'âme de la fibre sous l'effet de la libération des gaz lors de la transformation de la couche intermédiaire de polymère Ainsi, on peut tenir compte des irrégularités de surface de lta- me des fibres et permettre ainsi une application plus générale des techniques décrites. I1 convient également de noter que bien que l'on ait fait état de l'utilisation comme matrice de polymères adéquats, on peut utiliser d'autres matières y compris des métaux, Dans la présente description et dans les revendications, on utilise le mot "fibre" dans un sens large pour désigner une matière filamentaire fibreuse de composition quelconque et de nature flexible ou rigide sans pour cela se limiter à des fibres des matières -précédemment indiquées ni à des longueurs ou diamètres particuliers de matières0 Dans certaines applications de l'invention les "fibres" peuvent avoir un aspect de tiges ou de barres et on doit donc entendre le mot "fibres" en ce sens. Par exemple l'invention peut s'appliquer à la préparation de matières composites relativement simples, tel qu'un béton renforcé constitué d'une matrice de béton et d'éléments renforçateurs en fibres d'acier ou de verre entourés d'une résine, Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples décrits; elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans qu'on s'écarte pour cela du cadre de l'invention. - REVENDICATIONS lo Matériau composite constitué d'une matrice renforcée par plusieurs éléments renforçateurs, caractérisé en ce que chacun des dits éléments comporte une enveloppe extérieure et au moins un élément intérieur, la résistance au cisaillement de la liaison interfaciale entre ladite enveloppe extérieure et ladite matrice étant supérieure à la résistance au cisaillement de la liaison interfaciale entre ladite enveloppe extérieure et le ou les éléments intérieurs 20- Matériau composite selon la revendication 1, caractéristen ce qu'il n'existe qu'un seul élément intérieur, 5.- Matériau composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément intérieur est plein. 40- Matériau composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément intérieur est creux, 5.- Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 , caractérisé en ce que la résistance au cisaillement de la liaison interfaciale entre l'enveloppe et le ou l'un des éléments intérieurs diminue lorsque la tension de traction du matériau augmente. 6.- Matériau composite selon la revendication 5, caractérisé en ce que la résistance au cisaillement de la liaison interfaciale entre l'enveloppe et le ou l'un des éléments intérieurs s'annule pour une tension de traction juste inférieure à la limite de résistance à la traction de l'élément intérieur. 70- Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matrice est un polymère et l'en- veloppe et le ou l'un des éléments intérieurs sont réalisés en une ou plusieurs matières choisies parmi un métal, le carbone, le bore et le verre, 80- Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la liaison interfaciale entre l'enveloppe et le ou l'un des éléments internes est obtenue par interposi tion d'une couche intermédiaire de carbone0 90 Matériaucomposite selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la surface externe du ou de l'un des éléments internes est traitée pour diminuer les irrégularités su perficielles.