Brevet FR2130603A1 — publié le 19721103

i. 2130603 La présente invention est relative aux matériaux composites, plus particulièrement aux produits sandwich en aluminium renforcés par des fibres. Les produits sandwich métalliques constituent un 5 groupe de matériaux de construction avancés qui possèdent des rapports module/densité élevée et sont susceptibles d'être utilisés dans des limites de température étendues. Cette combinaison de propriétés est réalisée grâce à 1*emploi d,un métal léger, tel que 1*aluminium, pour la matrice, et à 1'incorporait) tion, dans cette dernière, de fibres ou filaments d'armature orientés de haute ténacité, d'un module élevé et de faible densité, d'une matière réfractaire telle que le bore ou le graphite. Les produits sandwich d'aluminium renforcé par du bore ont été récemment mis sur le marché; ils sont cependant 15 extrêmement dispendieux, étant donné le prix élevé du bore. De plus, la fragilité des filaments de bore exclut la possibilité d'opérations de formage et de façonnage après la préparation. Les fibres de graphite de haute ténacité sont beaucoup meilleur marché que les fibres de bore et sont davantage 20 susceptibles d'un abaissement du coût de fabrication dans l'avenir. Un autre avantage des fibres de graphite réside en ce que les produits sandwich renforcés par du graphite peuvent être soumis aux opérations de façonnage ou de formage après leur préparation, sans qu'il en résulte une rupture des fibres. Cepen-25 dant, la préparation de produits sandwich en aluminium renforcé par du graphite accusent une difficulté, à savoir dans les conditions de température et de pression requises pour la consolidation du produit sandwich moyennant agglutination par diffusion, les fibres de graphite non traitées se dégradent sensiblement à 30 la suite de leur contact avec le métal aluminium, de sorte que les fibres perdent une partie importante de leur ténacité. Une détérioration similaire se produit dans les procédés à infiltration sous vide, où les fibres entrent en contact avec l'aluminium fondu. On suppose que la dégradation des fibres de graphite 35 est le résultat de réactions chimiques à haute température, qui impliquent l'absorption de vapeur d'eau et d'oxygène par la surface du graphite. Il s'ensuit que le besoin d'un procédé de fabrication de produits sandwich, où de telles réactions seraient empêchées, se fait sentir. 72 10213 2. 2130603 Suivant la présente invention, un matériau composite d'aluminium renforcé par du graphite est préparé en enduisant des fibres de graphite à haute ténacité, à haut module et à faible densité, avec du nickel, en juxtaposant les fibres ainsi 5 enduites entre des feuilles d'aluminium et en contact avec celles-ci, dans un empilement, et en agglutinant l'ensemble empilé en un corps monolithe par l'application de la chaleur et de la pression. Le produit sandwich agglutiné par diffusion, ainsi obtenu possède des propriétés mécaniques favorables, les fibres 10 de graphite demeurant intactes pendant le processus de préparation. Les réactions préjudiciables, à la surface du graphite, sont empêchées par l'enduit protecteur de nickel. Contrairement aux produits sandwich renforcés par du bore, le matériau renforcé par du graphite, préparé par le procédé suivant la 15 présente invention, peut être soumis aux opérations de façonnage ou de formage, sans qu'il.en résulte une rupture des fibres. Partant de ce qui précède, la présente invention a pour objet d'établir un matériau composite d'aluminium renforcé par du graphite. 20 L'invention vise en outre à établir vin procédé pour préparer des produits sandwich d'aluminium renforcé par du graphite. L'invention a d'autre part pour objet d'établir un procédé pour préparer de tels produits sandwich, dans lequel 25 la dégradation des fibres de graphite est empêchée. D'autres objectifs et avantages de l'invention ressor-tiront de la description ci-après et des revendications qui lui font suite. Dans les dessins annexés : 30 La Fig. 1 est un tableau de marche indiquant les opé rations intervenant dans la préparation du matériau composite par le procédé suivant la présente invention; et la Fig. 2 est une représentation isométrique d'un corps sandwich renforcé par du graphite et agglutiné,■établi 35 suivant l'invention. , Les fibres de graphite à haute ténacité, qui forment J un constituant du produit sandwich renforcé se présentent de préférence sous la forme d'un fil envidé d'une façon lâche et constitué par un grand nombre de très fins filaments de fibres 72 10213 3* 2130603 individuels. Un matériau. approprié, vendu par la firme "Union Carbide Corporation" sous la dénomination commerciale "Thorael 50", comprend 84t> fibres individuelles, chacune d'un diamètre de o,t> microns environ, rassemblées en un fil bobiné de façon 5 Idche. Ce produit possède une résist;Jice à là traction de 2OÛ.000 psi (lô.27S>,8 kg/crn^) et un module de 50.000.000 psi (3O15.350 kg/cm2j. Un autre matériau pouvant être utilisé est le fil récemment mis en vente pur la même firme sous la dénomination "Thornei 75", ce dernier fil possédant un module de 10 75.000.000 psi (5.273-020 kg/cm2), une résistance à la.traction de 305.000 psi (25.6b2 kg/cm2) et une structure fibreuse similaire. N'importe quelles fibres de graphite peuvent être incorporées dans un produit sandwich d'aluminium par le procédé de la présente invention: toutefois, afin de conférer des pro-15 priétés améliorées importantes au produit sandwich, la fibre doit posséder une ténacité relativement élevée, telle qu'elle se traduit par un module de .plus de 40.000.000 psi (2.&L2.2^0 kg/cm^) et d'une résistance à la traction supérieure à 250.000 psi (17»57ô,7 kg/cm^}. Les fibres de graphite à haute ténacité 20 sont normalement préparées en graphitisant des fibres de rayonne maintenues sous une tension élevée. La tôle d'aluminium peut être en aluminium pur ou être constituée en un alliage quelconque à base d'aluminium. Cependant, le produit sandwich possède une rigidité mécanique 25 maximale lorsqu'on emploie un alliage d'aluminium à haute résistance, par exemple les alliages vendus sous la désignation no06l" (composition en pour-cent de poids l Cu 0,25; Si 0,6; Kg 1,0; Cr 0,25 et la quantité complémentaire de Al).ou "2024" (Cu 4,5; 0,0; 15g 1,5 et la quantité complémentaire de Al). 30 Des alliages d'aluminium relativement purs, comme ceux de la série "1100", peuvent être employés pour former un produit sandwich agglutiné par diffusion; cependant dans ce cas, le produit présente dans l'ensemble des propriétés moins favorables. Certains types d'alliages d'aluminium* par exemple, #= 13 35 (12 Si; et 43 (4-t>>- Si/, qui possèdent une teneur en silicium relativement peu élevée, présentent une difficulté en ce sens que le silicium a une tendance à la ségrégation pendant le processus d'agglutination par diffusion, ce qui a pour résultat de réduire la rigidité mécanique du produit sandwich. Lraluminium 72 10213 4« 2130603 est employé sous la forme d'une mince tôle ou feuille, un matériau d'une épaisseur minimale, normalement de 1,5 à 2 mils (0,0301 à 0,0500 mm), qui se prête à la manipulation lors de la formation d'un empilement, étant particulièrement favorable. L'emploi de tôles plus épaisses entraîne une diminution de la quantité de fibres de graphite susceptible d'être incorporée dans le produit sandwich. Dans le schéma de marche de la Fig. 1, A désigne l'enduction de fibres de graphite avec du nickel; B - la juxtaposition de fibres ainsi enduites entre des feuilles d'aluminium; G - la rétention des fibres; D - la compression de l'ensemble des feuilles; et E - la consolidation par agglutination par diffusion. Ainsi qu'il ressort du tableau de marche donné dans la Fig. 1 des dessins annexés, on procède d'abord en enduisant les fibres de graphite avec du nickel. L'enduit de nickel sert de barrière protectrice au graphite pendant l'agglutination par diffusion. Il est préférable d'adopter un enduit ayant une épaisseur aussi réduite que possible, afin d'éviter une augmentation de la densité du produit sandwich, le nickel ayant un poids spécifique notablement plus, élevé que celui de l'aluminium. On obtient les meilleurs résultats en appliquant le nickel par la formation d'un dépôt à partir d'un bain de nickel sans courant. On peut utiliser des bains de placage sans courant classiques, par.exemple un bain contenant du chlorure nickeleux, du citrate de sodium, du chlorure d'ammonium et de l'hypophosphite de sodium. Une mise en contact des fibres avec un tel bain pendant une durée de cinq minutes assure un recouvrement complet de tous les brins avec.une couche d'enduit d'une épaisseur de 0,5 à 0,75 microns environ. Les fibres enduites sont ensuite couchées entre des feuilles d'aluminium, pour constituer un empilement où des couches de fibres de graphite alternent avec l'aluminium. Les fibres sont juxtaposées parallèlement les unes aux autres sur une feuille de base d'aluminium, et l'on prévoit de préférence des moyens de fixation ou de rétention peur maintenir les fibres en place. Une légère couche de résine acrylique liquide, appliquée au pistolet, peut servir à cette fin. Pour préparer de grandes quantités de produit sandwich, on peut enrouler les 72 10213 5. 2130603 fibres sur un tambour métallique, afin d'obtenir la densité des fibres désirée, après quoi on applique la résine acrylique. On place ensuite une feuille d'aluminium sur les fibres juxtaposées et l'on répète le cycle ci-dessus jusqu'à ce que l'épaisseur 5 désirée soit atteinte. Suivant un mode d'exécution particulièrement favorable, on compose 1'ensemble en une épaisseur de trois ou quatre couches et procède à l'agglutination. Si l'on désire obtenir une épaisseur plus grande, on empile les feuilles composites ainsi réalisées et les agglutine les unes aux 10 autres. L'effet de renforcement exercé par le graphite peut être accru en superposant des couches alternées croisées de fibres de graphite. La proportion de fibres de graphite dans le produit sandwich peut être déterminée par la quantité de fibres placée 15 entre les feuilles. Une proportion élevée de fibres, allant jusque -cinquante pour-cent en volume, ou plus, est particulièrement favorable, pour assurer une rigidité mécanique maximale du produit sandwich. Cependant, au-dessus d'une certaine proportion maximale - qui varie avec l'espèce de fibres et de 20 tôle d'aluminium, ainsi qu'avec les moyens employés pour maintenir les fibres en place -, la diffusion de la matrice d'aluminium autour des fibres devient incomplète. D'une manière générale, on peut employer 10 à 50 pour-cent en volume de fibres de graphite. Des proportions moindres n'apportent pas 25 d'améliorations importantes par rapport aux propriétés de l'aluminium non renforcé. L'empilement est consolidé par agglutination par diffusion, obtenue par les effets combinés de la température, de la pression et du temps. Les feuilles extérieures se voient 30 appliquer une pression de compression, dans une presse d'agglutination appropriée, la pression étant de préférence de 5»000 à £.000 psi (351,535 à 562,456 kg/cm2) environ. L'empilement comprimé est chauffé, en vue de l'agglutination, à une température élevée, inférieure au point de fusion du constituant alu-35 minium, les meilleurs résultats étant obtenus avec une température de 9Ô0°F à 1030°F (527°C à 554°C). Dans les conditions de ■température et de pression particulièrement favorables, une agglutination complète se produira normalement en une demi-heure environ. Des pressions et des températures moins élevées 72 10213 6. 2130603 exigent un temps plus long pour l'agglutination. Ce procédé n'exige ni l'évacuation ni le réglage de l'atmosphère lors de l'agglutination. Bien que l'invention ne soit pas limitée à l'emploi de l'adhésif acrylique, on admet que l'adhésif acryli-5 que employé pour maintenir les fibres en place, comme décrit ci-dessus, exerce un effet favorable pendant l'agglutination, en ce sens que sa libération sous forme de vapeur tend à constituer une barrière vis-à-vis de l'oxygène et d'autres gaz, qui réagissent avec le graphite et la matrice d'aluminium à la 10 température d'agglutination par diffusion, ce qui retarde la consolidation. Les produits sandwich agglutinés, renforcés par du graphite, préparés par le procédé suivant la présente invention, possèdent une rigidité mécanique accrue et, étant donné 15 que les fibres de graphite ne sont pas fragiles, on peut exécuter d'autres opérations de formage ou de façonnage à l'aide de méthodes courantes. Les produits sandwich réalisés conformément à l'invention peuvent être utilisés dans des applications de construction générales, tandis que leur poids réduit, leur 20 grande rigidité mécanique et leur module élevé les rendent particulièrement avantageux en vue de leur application dans la construction d'avions et de véhicules spatiaux. La Fig. 2 représente un corps composite ou sandwich 10, préparé conformément à l'invention. Le corps 10 comprend 25 des couches d'aluminium II et des couches de fil de graphite 12 enduit de nickel, l'aluminium étant complètement diffusé autour des fibres de graphite composant le fil. Les brins de fil 13 sont juxtaposés en substance parallèlement les uns aux autres dans l'ensemble des couches de fil. 30 L'invention sera en outre mise en évidence par l'exem ple spécifique ci-après. Exemple. Des échantillons de produit sandwich ont été préparés par la méthode suivante : On a enduit un fil de fibres de gra-35 phite (Thornel 50) avec du nickel sous une épaisseur de 0,5 à 0,7 microns environ, par dépôt à partir d'un bain de placage sans courant. On a juxtaposé les fils enduits entre des feuilles de fine tôle d'aluminium (aluminium 6o6l ou 1100) et les a fixés par l'application de résine acrylique pour former un 72 10213 7. 2130603 produit lamifié ou stratifié comprenant quatre couches de fil de graphite. Le produit stratifié a été placé dans un châssis d'agglutination, lequel a été introduit dans une presse d'agglutination, entre plateaux chauffants à résistance. Après ;) avoir appliqué un isolant autour du châssis et des plateaux chauffants, on a élevé la température jusque 9Ôû-1030°F (527-554°C), à raison de 30°F (lu,5°C) par minute et l'on a appliqué une pression de 5-000 à $.000 psi (351,535 à 5^2,456 ltg/cm^). L'ensemble a été maintenu à cette température et à cette pres-10 sion pendant une demi-heure. On n'a appliqué aucun réglage d'atmosphère. Les échantillons de produit sandwich consolidé ainsi obtenus ont été enlevés et essayés en vue de déterminer les propriétés quant à la résistance à la traction et au module. Le produit sandwich d'aluminium 1100 renforcé par du graphite, 15 produit qui contenait environ 10 pour-cent en volume de graphite, présentait des valeurs moyennes de résistance à la traction de 20.000 psi (1.40o,14 kg/cm^). et un module d'élasticité de 12.000.000 psi (843*600 kg/cm^). Les produits sandwich d'aluminium 6061 et de graphite qui contenaient également environ 10 20 pour-cent en volume de graphite, présentaient des valeurs moyennes de résistance à la traction de 19*000 psi~(1.335,03 kg/ cm^) et un module élastique de 12.000.000 psi (Ô43-6Ô0 kg/cm2). Un examen de microphotographies agrandies du produit sandwich a révélé une diffusion complète de l'aluminium autour des fibres 25 enduites et une absence de détérioration de ces dernières. Il convient de noter que l'exemple ci-dessus est uniquement illustratif et que divers changements et modifications peuvent être apportés aux matériaux et aux méthodes décrites plus haut, sans s'écarter de l'ésprit de l'invention, ni dépas-30 ser son cadre. 72 10213 8 2130603 REVENDICATIONS 1 - Matériau métallique composite, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en une matrice d'aluminium à laquelle est incorporée une multitude d'éléments de renforcement sous la 5 forme de fibres de graphite à haute résistance orientées et enduites de nickel* 2 - Matériau composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion desdits éléments de renforcement formée par des fibres de graphite est de 10 à 50 pourcent en 10 volume» 3 - Matériau composite suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la matrice d'aluminium précitée consiste en un alliage d'aluminium 6061. 4 - Procédé pour préparer un matériau composite constitué 15 par l'aluminium renforcé par du graphite, caractérisé en ce qu'il comprend les dispositions qui consistent : à appliquer un enduit de nickel sur des fils de fibres de graphite à haute ténacité; à Juxtaposer les fils ci-dessus parallèlement les uns aux autres entre feuilles d'aluminium formant matrice; à 20 comprimer l'ensemble de ces feuilles et à chauffer l'ensemble comprimé ainsi formé, à une température élevée inférieure au point de fusion de la matière formant matrice, Jusqu'à ce que l'ensemble susdit soit consolidé par agglutination par diffusion - 25 5 - Procédé suivant la revendication 4-, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition qui consiste à retenir le fil de fibres de graphite susdit préalablement à l'agglutination de l'ensemble. 6 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, carac-30 térisé en ce que l'enduit de nickel ci-dessus est appliqué en mettant en contact ledit fil de fibres de graphite avec un bain de nickelage sans courant• 7 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les feuilles susdites sont comprimées à une 35 pression de 5 000 à 8 000 psi (351,535 à 562,456 kg/cm2). 8 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la température élevée susdite est comprise entre 980°P et 1030°P (527°C à 554°C). 9 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, carac 72 10213 9 2130603 térisé en ce que l'ensemble susdit comprend un empilement de couches alternées constituées par des feuilles d'aluminium et des fils de graphite, l'empilement contenant trois à quatre couches de fil de graphite» 10 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fils de fibres de graphite susdits sont retenus grâce à l'application d'un adhésif formé par une résine acrylique.