Brevet FR2259916A1 — publié le 19750829

La présente invention se rapporte aux processus d'adhésion des métaux au carbone et notamment à ceux utilisant la réaction d'adhésion par "mouillage". Le graphite et les carbones partiellement ou même non graphites peuvent être considérés comme des empilements de macro-molécules aromatiques. Ces carbones appelés d'une façon générale "carbone" (par opposition au diamant) sont constitués par des assemblages de feuillets graphitiques. Dans les phénomènes de mouillage d'un carbone, on doit distinguer deux processus mettant en jeu soit la formation d'un carbure métallique assurant l'adhésion entre le carbone et le métal, soit le mouillage dû a la tension superficielle du métal imprégnant le carbone. Dans tous les processus visant a fabriquer des objets composites constitués par des métaux renforcés par des fibres de carbone, il faut exclure les procédés qui entrainent la formation d'un carbure produisant la destruction partielle ou totale de ces fibres.Bien que ces processus conduisent des énergies d'adhésion très fortes, ils ont l'inconvénient de modifier certaines propriétés physiques et chimiques de l'interface ou de la zone interfacialé telle que la dureté, le module de Young, la conductibilité électrique et thermique, l'aptitude à la corrosion etc Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients exposés plus haut et de favoriser l'adhésion entre les fibres du carbone et les métaux par une amélioration du mouillage entre ces fibres et la matrice métallique d'enro bague. A cet effet, l'invention propose un procédé d'imprégnation du carbone par des métaux, remarquable en ce que: - on met un matériau en carbone en présence d'un métal alcalin sous atmosphère contrôlée afin d'insérer des atomes alcalins entre les plans graphitiques du carbone, - on crée une élévation de température pour établir dans l'atmosphère contrôlée une pression de vapeur de métal alcalin, - on met le composé carbone-métal alcalin obtenu en présence d'un métal liquide pour former une matrice métallique d'enrobage. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on débute la réaction d'insertion du carbone et du métal alcalin dans une enceinte sous vide. Selon une autre caractéristique, on débute la réaction d'insertion du carbone et du métal alcalin dans une enceinte sous gaz inerte. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description donnée ci-dessous à titre d'exemple pour interpréter le mécanisme de la réaction. Suivant le procédé de l'invention, lorsque les fibres de carbone sont exposées à un métalalcalin en phase-vapeur les atomes alcalins viennent s 'insérer-plus ou où moins profondé- ment entre les plans graphitiques et la structure nouvelle obtenue correspond à une augmentation de la densité des électrons ir dans la bande de conduction du carbone. On obtient ainsi un composé carbone-métal alcalin ayant acquis les propriétés d'un métal qui est en particulier mouillable par les autres métaux. L'invention se rapporte plus particulièrement aux métaux alcalins d'insertion ayant un nombre atomique égal ou supérieur à 11, ce qui élimine les formations de carbures susceptibles de détruire la-structure-graphitique et par conséquent les propriétés mécaniques des fibres. Pour mieux illustrer ce perfectionnement, on decrit dans l'exemple 1 un procédé d'adhésion du magnésium par mouillage du carbone en présence du potassium. Exemple 1 Dans un tube de verre "pyrex" de 250 mm de long et de 8 mm de diamètre intérieur, préalablement effilé en pointe fragile à l'une de ses extrémités, on dispose des fibres- de carbone sous forme d'un paquet d'environ 0,5 g de fibres coupé à 50 mm de longueur et disposé du coté de la pointe effilée. Les fibres sont dégazées à environ 300 à 400" sous un vide de l'ordre de 10 1 torr. Après refroidissement, on fait une entrée d'air et l'on dispose à environ 30 mm des fibres, un morceau de 0,05 g environ de potassium débarrassé de sa couche d'oxyde. Le tube est à nouveau vidé et scellé sous vide à environ 100 à 120 mm de son extrémité fermée. Cette ampoule contenant les fibres et le potassium est portée dans un four à 2500 pendant quatre heures. Après refroidissement, on constate que les fibres ont pris par endroits une teinte mordorée bleue. Le tube est alors plongé dans un bain de magnésium en fusion du coté de son extrémité effilée. La pointe fragile est brise par pression contre le fond du creuset de fer, et le magnésium liquide est aspiré dans le tube contenant les fibres. On constate après le bris de l'ampoule qu'il y a mouillage parfait des fibres de carbone par le magnésium. Dans un autre exemple décrit ci-dessous, le procédé permet l'adhésion du magnésium par mouillage du carbone en présence du sodium. Exemple 2 Les paquets de fibres de carbone sont préparés dans les mêmes conditions que pour l'exemple L, mais préalablement soumis à la vapeur de sodium. Dans ce cas, la température du four est portée à 350 afin d'obtenir une pression de vapeur de sodium suffisante. L'invention s'applique parfaitement aux métaux q d'enrobage tels que par exemple le magnésium, le zinc et le cuivre enrobant des fibres traitées au sodium~ou au potassium ainsi que par les alliages de l'aluminium avec ces métaux. Naus avons aussi réalisé, dans les mêmes conditions expérimentales, les imprégnations avec du plomb, de l'étain et un alliage de lkaluminium avec du silicium (10% Si). Exemple 3 Un tube réalisé dans les mêmes conditions que celles décrites précédemment (exemple 1) et contenant des fibres de carbone ayant réagi avec la vapeur de potassium est plongé dans un alliage d'aluminium et de cuivre t4t Cu). L'aspiration de l'alliage dans le tube, consécutive au bris de la pointe, conduit à la formation d'une éprouvette montrant un enrobage parfait des fibres par la matrice métallique. Exemple 4 On a préparé, par fusion sous argon, un alliage de magnésium et d'aluminium (9* Al) dans un creuset en fer. Le creuset contenant l'alliage solidifié, est disposé dans une enceinte en fer pouvant être mise sous vide ou sous pression d'argon par manoeuvre d'une vanne à trois voies. Un tube d'acier, ferme à l'une de ses extrémités est garni intérieurement de fibre de carbone et d'un petit morceau de potassium; ce tube est ensuite disposé au-dessus du creuset de telle façon que son extrémité ouverte repose sur l'alliage solidifié. On élève progressivement la température de l'enceinte si bien que la réaction d'insertion du potassium a lieu avec les fibres de carbone. Lorsque la temppérature est suffisante, l'alliage fond et le tube plonge alors par gravité dans le bain en fusion. Une manoeuvre de la vanne met rapidement l'enceinte sous une pression d'argon de 5 bars. Le métal est alors refoulé dans le tube contenant les fibres de carbone réalisant ainsi enrobage REVENDICATIONS 1. Procédé d'imprégnation du carbone par des métaux afin d'améliorer l'adhésion entre ces matériaux caractérisé en ce que: - on met un matériau en carbone en présence d'un métal alcalin sous atmosphère contrôlée afin d'insérer des atomes alcalins entre les plans graphitiques du carbone, - on crée une élévation de température pour établir dans l'atmosphère contrôlée une pression de vapeur métal alcalin, - on met le composé carbone-métal alcalin obtenu en présence d'un métal liquide pour former-une matrice métallique d'enrobage. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que-l'on débute la réaction d'insertion du carbone et du métal alcalin dans une enceinte sous vide. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lton débute la réaction d'insertion du carbone et du métal alcalin dans une enceinte sous gaz inerte.