Brevet FR2414574A1 — publié le 19790810

La présente invention concerne un procédé de fabrication perfectionné de substrats en étoffe non tissée pour produits composites en carbone armé de fibres de carbone. A titre d'exemple de tels produits composites, on peut citer un disque de frein tout carbone fabriqué par dépit d'une matrice ou gangue en carbone sur un substrat en étoffe dont on carbonise les fibres pour armer la matrice en carbone de fi bres de carbone. Pour déposer le carbone sur le substrat, on opère par craquage d'un gaz organique (dépôt de vapeurs de car bone) ou par imprégnation répétée du substrat à l'aide de résine suivie de carbonisation en vue de l'obtention d'une matrice en carbone de plus en plus dense sur le substrat carbonisé (impré gnation multiple). La matière préférée pour constituer le substrat ést de la fibre de polyacrylonitrile (PAN) qui est de préférence, notamment si l'on doit procéder par dépot de vapeurs de carbone, dans un état "oxydé" facilitant fa carbonisation ultérieure. On peut se procurer cette fibre sous forme d'étoffe non tissée ou feutre comportant des couches entrecroisées e filaments continus réunies par aiguilletage avec des aiguilles crochues. Dans l'exemple des disques de frein tout carbone, on découpe des anneaux dans la feuille à côtés parallèles en fibre de PAN, puis on les empile pour former un substrat d'épais seur souhaitée. Cette manière de procéder amène à gdcher beaucoup de la feuille en PAN onéreux parce qu'on ne peut remettre les chutes de découpe sous forme de filaments continus pour la fabri cation d'une nouvelle feuille. On peut remettre les chutes sous forme de fibres coupées en débitant les filaments en fibres relativement courtes et en séparant par défibrage les fibres "de chaine" et "de trame", mais on s'est peu préoccupé jusqu'à présent d'une telle récupé ration, étant donné que la fibre de PAN oxydé sert surtout à fa briquer des substrats composites dont tant la charnue" que la "trame" sont formées de filaments continus. La présente invention permet d'obtenir une étoffe dotée d'une résistance mécanique et d'un volume de fibres spéci fique convenables à l'aide de couches entrecroisées dont l'une est en fibres coupées crêpées. Il en résulte l'avantage notable qu'un substrat en cette étoffe est plus facile à infiltrer pendant le traitement ultérieur de dépôt de carbone. De plus, en incorporant des fibres coupées à l'étoffe, on réduit beaucoup la consommation de fibres de PAN oxydé parce qu'on peut recycler en partie, sinon en totalité, les chutes de coupe. La présente invention a pour objet un procédé pour la fabrication à partir de matière fibreuse carbonisable ayant subi un pré-traitement qui modifie sa composition chimique pour faciliter la carbonisation ultérieure, d'une feuille en étoffe non tissée destinée à servir de substrat dans un produit composite en carbone armé de fibres de carbone, ce procédé consistant à placer un ensemble de filaments continus à orientation sensiblement unique transversalement à la direction moyenne de fibres coupées cardées, puis à tasser les fibres et filaments pour former une feuille d'étoffe par aiguilletage. Les filaments continus sont de préférence soumis à un effet de maintien longitudinal pendant l'aiguilletage. La matière fibreuse carbonisable, pré-traitee, que l'on utilise est de préférence du polyacrylonitrile fibreux oxydé. De préférence, une feuille continue de fibres coupées rendues parallèles passe d'une cardeuse dans une plieuse en travers qui la transforme par pliage en une feuille continue plus épaisse dans laquelle les fibres coupées ont une direction moyenne transversale à la feuille, la feuille épaissie traverse une aiguilleteuse qui la transforme par tassement en feutre, puis on dispose le feutre et un ensemble de mèches non tordues ou rubans sensiblement parallèles de filaments continus de façon que la direction moyenne des fibres coupées du feutre soit transversale aux rubans et l'on réunit le feutre et les rubans, pour former une étoffe, par aiguilletage à l'aide d'aiguilles crochues. On peut placer des feutres de fibres coupées de part et d'autre de la nappe de filaments que celle-ci soit interposée entre les deux feutres , qui présentent tous deux une direction moyenne de fibres coupées transversale aux rubans, puis réunir la nappe et les deux feutres, pour former une étoffe, par aiguilletage avec des aiguilles crochues. On peut découper un substrat de forme prédéterminée dans la feuille d'étoffe, puis remettre le résidu de découpe de la feuille sous forme de fibres coupées. Ce résidu de découpe peut traverser successivement une coupeuse de fibres et'une machine à démêler les fibres , ce qui le transforme en fibre coupée . La fibre coupée ainsi obtenue à partir du résidu de découpe peut resservir à la fabrication de feuille d'étoffe. On peut découper dans la feuille d'étoffe des anneaux qu'on empile ensuite afin de former un substrat pour disque de frein tout carbone. On peut soumettre les disques empilés à un aiguilletage pour les maintenir réunis. On va maintenant décrire certains modes de mise en oeuvre préférés de l'invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un appareil pour la fakrication d'une feuille continue de fibres coupées la figure 2 est un schéma d'ensemble de l'appareil qui combine la feuille continue de fibres coupées avec des rubans de filaments continus pour former une feuille d'étoffe ; la figure 3 est une vue latérale d'une aiguilleteuse convenant pour incorporation à l'un des appareils représen tOs sur les figures 1 et 2 ;; la figure 4 représente à plus grande échelle l'une des aiguilles de l'aiguilleteuse selon la figure 3 la figure 5 représente une feuille fournie par l'appareil selon la figure 2 après qu'on y ait prélevé des anneaux par estampage ou découpe la figure fi reproduit avec fort grossissement la zone "VI" de la figure 5 et indique l'orientation des filaments continus et des fibres coupées constituant la feuille. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, on utilise de la fibre de PAN au stade d"'oxydation" où elle est assez flexible pour subir des traitements textiles. Les filaments continus de PAN oxydé traité à une température atteignant 220 à 3000C sont mis sous forme de fibre coupée crêpée par un appareil bien connu du technicien en textile. Ils sont de préférence mis sous la forme désignée par le mot angiais "top" par rupture par étirage, crêpage, transformation des rubans etc "top" et traitement dit "de Willey". La fibre coupée traverse une cardeuse 10 qui la met sous la forme d'une feuille continue 11, mince et légère, de fibres 12 (figure 6) rendues grossièrement parallèles, c'est-à-dire ayant en majorité une direction moyenne parallèle à la courroie d'évacuation 13 de la cardeuse. La feuille continue passe de la courroie 13 à une plieuse en travers 14 qui la plie en accordéon vers l'avant et vers l'arrie- re sous une courroie 15, se déplaçant perpendiculairement à la courroie 13, pour former une feuille continue 16, épaisse et volumineuse, dans laquelle la direction moyenne des fibres coupées rendues parallèles est normale à la courroie. Sur la courroie 15, la feuille épaisse 16 va traverser une aiguilleteuse 17A qui la met sous forme de feutre 18 par tassement sous l'effet d'aiguilles crochues 19 (figures 3 et 4) traversant le feutre à va-et-vient pendant qu'il défile entre des plaques de guidage perforées supérieure 20 et inférieure 21. Le feutre tassé 18 est alors enroulé sur un bobinoir 22. La "chaine" de l'étoffe est formée d'un certain nombre de rubans de filaments continus de PAN oxydé qui se dévident d'un dévidoir 23 (figure 2) à porte-bobines, à broches, à canettes ou d'autre type adéquat. Chaque ruban peut être soit du type à 10.000 filaments, soit du type lourd comptant environ 320.000 filaments. On rapproche les rubans les uns des autres pour former une feuille 24 en leur faisant traverser des guides convenables et des dispositifs 25 de réglage de tension et d'étalement des rubans. On pose sur la feuille 24 un tronçon de longueur voulue du feutre de "trame" 18 précédemment fabriqué et l'on fait traverser à l'ensemble une seconde aiguilleteuse 17B, qui peut ressembler à celle représentée sur les figures 3 et 4, pour obtenir une feuille d'étoffe non tissée 26 tassée, qu'on peut enrouler sur un bobinoir 27. Facultativement, la feuille 26 peut comporter plus d'une couche de "channe" et plus d'une couche de " trame" et, dans une telle structure multicouche préférée, la feuille de chaîne 24 est interposée entre deux feutres de "trame" 18 placés l'un au-dessus et l'autre au-dessous d'elle, l'ensemble étant réuni par aiguilletage. On réalise un substrat pour disque de frein en découpant dans la feuille 26 des anneaux semblables et en les empilant sur l'épaisseur souhaitée, avec choix judicieux de l'orientation relative des fibres d'anneaux voisins. On soumet de préférence l'empilage d'anneaux à un aiguilletage, tant pour faciliter la manutention que pour éviter un clivage du produit fini. On chauffe alors l'ensemble du substrat jusqu'à une température dépassant 1,0000C, en l'absence d'oxygène, pour parachever la carbonisation des fibres. On transforme ensuite le disque en un produit composite carbone/carbone soit par dépôt de vapeurs de carbone, soit par carbonisation de la résine. Du fait que les fibres ne sont pas tordues et que les lacunes de l'étoffe sont plus uniformes que dans le cas de toiles formées de fils, le temps nécessaire à l'infiltration du substrat se trouve réduit.Cette réduction peut atteindre 60 % ou plus. La figure 5 représente le résidu de feuille d'étoffe 26 qui subsiste après découpage des anneaux ; la figure 6 montre que ce résidu est constitué par des filaments continus parallèles 30 dirigés suivant la longueur de la feuille 26 et de fibres coupées 12 auxquelles la cardeuse 10 a conféré une direction moyenne transversale aux filaments continus 30, mais dont l'orientation demeure dans une certaine mesure aléatoire et qui se sont entremêlées avec les filaments continus 30 sous l'action des aiguilleteuses 17A et 17B. Selon la présente invention, on peut envoyer le résidu de découpe de la feuille 26 traverser successivement une coupeuse de fibres, qui débite les filaments continus 30 en tronçons ayant en gros la même longueur que les fibres coupées, et une machine à démêler les fibres, qui sépare les fibres entrecroisées. La fibre coupée résultante peut être mélangée en proportion convenable (jusqu'à 50 % ou plus) avec de la fibre coupée de PAN vierge et l'on peut envoyer le mélange à la cardeuse 10 pour fabriquer encore de la feuille de "trame" 18 comme précédemment décrit. Même des résidus de coupe de qualité médiocre peuvent être soumis au défibrage et mélangés. On peut alors carder et aiguilleter la fibre résultante pour obtenir du feutre de carbone pour des fabrications moins sérieuses que celle de disques de frein, par exemple celle d'isolant thermique,ou pour transformation en deux articles composites en carbone à incorporer a des produits destinés à concurrencer les graphites de haute qualité. BEVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication, à partir de ma tière fibreuse carbonisable ayant subi un pré-traitement qui modifie sa composition chimique pour faciliter sa carbonisation ultérieure, d'une feuille d'étoffe non tissée destinée à servir de substrat dans un produit composite en carbone armé de fibres de carbone, ce procédé consistant à placer des ensembles en matière fibreuse à orientation quasi unique perpendiculairement l'un à l'autre et à les aiguilleter pour obtenir une feuille d'étoffe, et étant caractérisé en ce que, sur les ensembles à orientation quasi unique, l'un (24) est formé de filaments continus et l'autre (18) est formé de fibre coupée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filaments continus (24) subissent un effet de maintien longitudinal pendant l'aiguilletage. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière fibreuse carbonisable pré-traitée (11,24) est du polyacrylonitrile fibreux oxydé. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une feuille continue (11) de fibres coupées rendues parallèles passe d'une cardeuse (10) dans une plieuse en travers (14) qui la transforme, par pliage en accordéon, en une feuille plus épaisse (18) dans laquelle la direction moyenne des fibres coupées est transversale à la feuille (18), la feuille épaissie (18) traverse une aiguilleteuse (17A) qui la transforme par tassement en un feutre (18), le feutre (18) et un ensemble (24) de mèches non tordues ou rubans sensiblement parallèles de filaments continus sont disposés de façon que la direction moyenne des fibres coupées du feutre (18) soit transversale aux rubans (24), puis le feutre (18) et les rubans (24) sont réunis pour former une étoffe (27) par une aiguilleteuse (17) à aiguilles crochues (19). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que llon place des feutres (18) de fibre coupée de part et d'autre de la nappe (24) de filaments afin que celle-ci soit interposée entre les feutres de fibres coupées (18), qui présentent tous deux une direction moyenne de fibres coupées transversale aux filaments continus et l'on fait réunir la nappe (24) et les deux feutres (18), pour former une étoffe (27), par une aiguilleteuse (17B) à aiguilles crochues (l9). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on découpe un substrat de forme prédéterminée dans la feuille en étoffe et l'on remet le résidu de découpe de cette feuille (26) sous forme de fibre coupée. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fibre coupée obtenue à partir du résidu de découpe de la feuille d'étoffe (26) ressert à la fabrication de feuille d'étoffe (27). 8.Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le résidu de découpe de feuille d'étoffe (26) traverse successivement une machine à couper les fibres et une machine à défibrer qui le remettent sous forme de fibre coupée. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'on découpe des anneaux dans la feuille (26), puis on les empile pour former un substrat pour disque de frein tout carbone. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on fait subir aux anneaux empilés un aiguilletage pour les maintenir réunis.