Brevet FR2473567A1 — publié le 19810717

-1 MATERIAU TISSE COMPLEXE ET ARTICLES STRATIFIES REALISES A PARTIE DE CE MATERIAU La présente invention concerne un nouveau type de matériau tissé utilisable pour la réalisation d'articles stratifiés; elle concerne également les articles stratifiés réalisés à par- tir d'un tel matériau. Les matériaux stratifiés sont connus depuis fort longtemps et sont constitués par une alternance de couches de matières textiles (tissus, non tissés...) que l'on imprègne de résine, l'ensemble étant ensuite traité thermiquement afin de provoquer la polymérisation de la résine et le durcissement de l'ensemble. Ces matériaux ont trouvé de nombreuses applications, soit sous la forme d'éléments plans (plaques), soit sous la forme d'élé- ments conformés obtenus par moulage, notamment dans le bâtiment, l'automobile, la marine, l'aéronautique... De tels complexes ont tout d'abord été réalisés à partir de mats ou de tissus de verre. Récemment, sont apparus sur le marché des fils qui pré- sentent des caractéristiques mécaniques et physiques nettement supérieures aux fils de verre, tels que par exemple les fils de bore ou les fils de carbone, ces derniers étant obtenus par traitement thermique d'une matière fibreuse organique, par- exemple de fibres cellulosiques ou acryliques. A l'origine, compte tenu du fait que ces fils étaient difficiles à travailler sur un métier à tisser, ils étaient utilisés, pour la réalisa- tion d'un stratifié, sous la forme de bandes constituées de fils parallèles préimprégnés de résine, Lors de la réalisation du stratifié, l'utilisateur superposait les bandes ainsi réa- lisées, en les entrecroisant éventuellement, de manière à ob- tenir de bonnes caractéristiques mécaniques dans toutes les directions. De telles nappes de filaments présentaient cepen- dant l'inconvénient d'être difficiles à manipuler et à stocker. Pour surmonter ces inconvénients, il a été proposé, notam- ment dans le brevet français no 2 156 505 (correspondant au brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 997 697) de réaliser un tissu industriel complexe comportant une chaîne très lâche, constituée par des fils quelconques, notamment par des fils chimiques, ayant pour fonction de donner de la cohésion à une trame extrêmement dense dont les fils sont constitués par des -2- fils de bore. En ce qui concerne les fils de carbone, la même évolu- tion a été constatée et il a été également envisagé de réali- ser des tissus dont la chaîne (ou la trame) est formée de nappes de fils de carbone, tordus ou non, formant une nappe de filaments parallèles, dense et homogène, la cohésion de ces fils étant donnée par des fils de trame (ou de chaîne), tissés lâche ou non, en carbone ou toute autre matière chimique. Après préimprégnation avec une résine appropriée, le stra- tifié est réalisé, comme antérieurement, en superposant une pluralité de tissus, éventuellement en donnant une orientation différente aux nappes les unes-par rapport aux autres. Si lesdits stratifiés à base de filaments de carbone pré- sentent des caractéristiques mécaniques élevées (tant à la flexion, qu'à la traction, qu'à la compression), ainsi qu'une très grande rigidité, ils ont cependant un inconvénient, que l'on ne constatait pas dans les stratifiés à base de fils de verre, à savoir qu'en cas de chocs, il se produit parfois des criques ou fissures qui sont la conséquence du haut module de ces types de fils, c'est-à-dire de leur faible pouvoir d'al- longement élastique. Par ailleurs, l'implantation de corps étrangers dans de tels stratifiés, tels que par exemple l'application de rivets, de charnières, est délicate à réaliser. En effet, lors de cette implantation, la solution classique consiste à percer le stra- tifié en des points déterminés. Or, les orifices étant réalisés, créent des zones de moindre résistance qui diminuent considéra- blement les caractéristiques mécaniques de l'ensemble du stra- tifié. Or, on a-trouvé, et c'e t. ce qui fait l'objet de la pré- sente invention, un nouveau type de matériau tissé, complexe, constitué au-moins pour partie majoritaire de filaments de car- bone, qui, d'une part, diminue les risques de formation de criques ou fissures dans les articles stratifiés réalisés à partir de ce matériau et d'autre part, permet l'implantation de rivets, char- nières..., sans altérer de façon notable les-caractéristiques mécaniques d'ensemble dudit matériau stratifié. D'une manière générale, le matériau tissé complexe selon l'invention pour la réalisation d'articles stratifiés est du -3- type constitué, au-moins pour partie majoritaire, de filaments de carbone, et il -se caractérise par le fait que les fils de carbone sont disposés sous forme de bandes de largeur régulière ou non, disposées dans au-moins une direction (chaîne ou trame) du tissu, séparées entre elles par des bandes de fils ayant un module inférieur aux fils de carbone (c'est-à-dire présentant un pouvoir d'allongement élastique supérieur), de faible lar- geur par rapport à la largeur des bandes de carbone. Dans la suite de la description, on désignera par l'ex- pression "fils à bas module" les fils qui présentent un pouvoir d'allongement élastique supérieur aux fils de carbone utilisés. Ces fils seront de tout type connu, présentant une telle carac- téristique, tels que par-exemple à base de verre, de polyamides... voire éventuellement à base de carbone, présentant des proprié- tés modifiées par rapport aux fils de carbone à haut module, constituant la majorité du tissu. Dans la suite de la description, l'invention sera décrite en utilisant comme fils à bas module, des fils de verre, mais il est bien entendu que cela n'est pas limitatif. Dans un mode de réalisation de l'invention, les fils de carbone et les fils à bas module sont disposés dans une seule direction du tissu (chaîne ou trame) l'autre direction (trame ou chaîne) étant tissée lâche, jouant le rôle de fils de liage, et étant choisis parmi les fils chimiques fins, souples, de manière à obtenir un tissu dans lequel les fils de carbone et les fils à bas module sont maintenus sensiblement de manière rectiligne. Dans la suite de la description, et par mesure de simpli- fication, on décrira des matériaux tissés complexes conformes à l'invention, dont seule la chaîne est constituée pour partie majoritaire de filaments de carbone, disposés sous forme de bandes régulières séparées entre elles par des bandes de faible largeur à base de fils de verre. Il est évident que cela n'est pas limitatif et que l'invention couvre également des articles tissés complexes, dont à la fois la chaîne et la trame sont constituées par une alternance de bandes de fils de carbone et de bandes, de faible largeur par rapport aux bandes de carbone, à base de fils à bas module, par rapport auxdits fils de carbone, que des articles dont seulement une direction, par exemple la chaîne serait constituée de telles bandes, la trame étant constituée en totalité de fils de carbone, voire mëriï d'articlei tissés en biais, -c'est-à-dire dont la chaîne et la trame ne sont pas orientées orthogonalement par rapport à la longueur du tissu. Avantageusement, le pourcentage de fils à bas module, c'est-à-dire, dans les exemples donnés ci-après, de fils de verre, par rapport aux fils de carbone, sera compris entre 8 et 20 %, par rapport au poids total du matériau. Par ailleurs, on a constaté que l'on obtenait de bons résultats en réalisant un matériau dont la chaîne est constituée par des bandes de fils de carbone ayant une largeur comprise entre 3,5 centi- mètres et 8 centimètres, et des bandes de fils à bas module (verre par-exemple) ayant une largeur comprise entre 0,5 cen- timètre et 1 centimètre. Il est évident que les limites données précédemment ne sont pas limitatives et, qu'en fonction des caractéristiques désirées et des applications envisagées il peut être possible de modifier la proportion entre les fils à bas module et les fils de carbone. Dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention, mode dans lequel, comme dit précédemment, seule la chaîne est constituée par une telle alternance de fils de carbone et de fils à bas module, la trame étant constituée de fils de liage tissés lâche, on utilisera de préférence des fils de liage choisis parmi les fils chimiques tels que le verre, le poly- ester, les fils aramides..., la densité de liage étant avan- tageusement voisine de 4 coups par centimètre. Comme résine permettant l'imprégnation d'un tel matériau tissé complexe en vue de réaliser des articles stratifiés, on utilisera de la -résine conventionnelle thermodurcissable, telle que par-exemple les résines époxy, polyimide, polyester..., la seule précaution à prendre résidant dans le choix du produit d'ensimage pour les fils de bas module (fils de verre par-exem- ple) et les fils de carbone, ces produits d'ensimage devant être compatibles avec la résine utilisée. Un tel matériau tissé complexe convient particulièrement bien pour la réalisation d'articles stratifiés composés d'une pluralité de couches préalablement préimprégnées. -5- Il est ainsi possible de réaliser des matériaux stratifiés en entrecroisant, soit à angle droit, soit selon des angles différents, une pluralité de couches à base d'un tel matériau. De préférence, on réalisera l'entrecroisement, de telle sorte que les bandes de fils à bas module (fils de verre par-exemple) forment, dans les stratifiés réalisés, des zones ne comportant que de tels fils. De cette manière, il est possible de percer le stratifié dans ces zones à base de fils à bas module afin d'y implanter des rivets, des charnières..., sans détériorer les caractéristiques qui ont été apportées par les fils de car- bone. Il pourrait être également envisagé, dans certains cas, de réaliser le stratifié en superposant les bandes du matériau tissé conforme à l'invention de telle sorte que les parties en fils à bas module se trouvent légèrement décalées les unes par rapport aux autres sur toute la largeur du matériau. On a constaté que, du fait de la présence de la partie minoritaire de fils à bas module (fils de verre), on évitait la formation de criques dans le stratifié formé ou, dans le cas extrême, empêchait la propagation d'une telle crique en la limitant entre deux bandes consécutives en fils à bas mo- dule. Par ailleurs, il a même été constaté, de manière surpre- ante, que certaines caractéristiques, par-exemple de résistance à la traction pouvaient dans certains cas se trouver amélio- rées par-rapport à un matériau stratifié similaire réalisé en totalité à partir de fils de carbone. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cepen- dant mieux compris grâce aux exemples de réalisation donnés ci-après à titre illustratif mais non limitatif et qui sont il- lustrés par les figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement en perspective un matériau tissé complexe conforme à l'invention, - la figure 2 illustre également en perspective un article stratifié réalisé à partir d'un tel matériau,article dans le- quel les différentes couches sont entrecroisées à angle droit, - la figure 3 illustre en perspective un matériau strati- fié réalisé en superposant une pluralité de couches d'un ma- tériau tissé conforme à l'invention, les couches étant décalées de 450 les unes par rapport aux autres, -6- - la figure 4 -est une -Vue schématique de dessus d'un maté- riau réalisé conformément à la figure 3 et qui montre plus en détail la zone-de superposition des fils à bas module, zone dans laquelle on pratique un orifice. Dans toutes' les' figures qui précèdent, -afin de les rendre plus claires, seuls les fils à bas module ont été représentés, les fils de liage n'étant montrés qu'à la figure 1 et l'entre- croisement des fils les uns par rapport aux autres n'étant pas représenté. Exemple Sur un métier à tisser classique, on réalise un matériau tissé complexe conforme à l'invention, ayant les caractéristi- ques suivantes: En chaine - fils de-carbone, référence T300 - type 40B de la société TORAY. Chaque fil est constitué de 3000 filaments et ne comporte aucune torsion, - fils à bas module: verre type E ayant une torsion de 80 tours par mètre et un titre global de 272 tex. Comme cela est illustré à la figure 1, la chaîne est cons- tituée d'une alternance de bandes 1, 2, régulières, les unes 1 formées de 40 fils de carbone de titre précité, de manière à réaliser une bande ayant 50 millimètres de largeur et les autres 2 étant constituées de quatre fils de verre permettant de réa- liser une bande de 5 millimètres de largeur. Le peigne utilisé sur le métier à tisser donne une densité de 8 fils par centimètre. En trame, on utilise des fils de verre 3 de 34 tex/2 (retordus à 80 tours par mètre). Le tissage est réalisé de manière à avoir une densité en trame de liage 3 de 4 coups par centimètre. L'armure de tissage est une armure-taffetas. A la tombée du métier, le tissu pèse 160 grammes par mètre carré et a une épaisseur sensiblement constante sur toute sa largeur. Après imprégnation à l'aide d'une résine, telle que par- exemple de la résine Vicotex 108 de la Société BROCHIER, ou d'une résine équivalente, cette imprégnation étant réalisée avec un taux de 42 %, et polymérisation conventionnelle -7- on obtient un pli ayant une épaisseur de 150 microns. Un tel matériau permet de réaliser, ainsi que cela est représenté schématiquement sur les figures 2 et 3 des articles stratifiés constitués d'une pluralité de couches superposées. Dans ces figures les mémes références ont été utilisées pour les différents plis constituant l'article stratifié, ces plis étant différenciés uniquement par une lettre de référence (a, b, c...). Dans l'article stratifié illustré par la figure 2 les dif- férents plis sont superposés à angle droit les uns par rapport aux autres ce qui permet de former, dans les zones ou les fils à bas module (2a-2b2c) se croisent,un matériau ne comportant qoe de tels fils. Dans ces zones il est possible de pratiquer des perforations, par-exemple pour implanter des rivetsles carac- téristiques mécaniques d'ensemble ne se trouvant pas altérées. Par ailleurs, on a constaté que les fils à bas module évitaient, ou du moins limitaientla formation de criques. Les figures 3 et 4 illustrent en vue de dessus un article stratifié constitué d'une pluralité de couches superposées en les décalant de 45 les unes par rapport aux autres. Il est é- galement possible ainsi que cela est illustré à la figure 4, de percer le matériau de manière à faire un orifice 4 dans les zones 5 constitué uniquement de fils à bas module. Des essais de résistance à la traction, effectués sur des éprouvettes élaborées et testées selon la norme ASTM D 3039 ont montré, dans le cas o l'on utilisait un matériau tel que celui illustré à la figure 4 dans lequel on avait pra- tiqué un orifice 4 ayant un diamètre de 3,2 mm, que, par rapport à un article stratifié similaire mais constitué en totalité de fils de carbone, que la résistance à la rupture du stratifié % carbone se trouvait diminuée d'environ 10 % par rapport à un article stratifié similaire ne comportant pas d'orifice alors que, dans le cas d'un article stratifié réalisé à partir d'un tissu complexe conforme à l'invention tel que décrit pré- cédemment, cette résistance à la rupture n'était pas diminuée. Cela montre bien les avantages apportés par l'invention, et notamment, dans le cas o des implantations, par-exemple de rivets, doivent être réalisées dans le stratifié, que l'on ne détériore pratiquement pas les caractéristiques mécaniques de !'2473567 celui-ci. Par ailleurs on a constaté que -l'on améliorait éga- lement sensiblement la résistance aux chocs du stratifié par rapport à un stratifié réalisé entièrement à partir de fibres de carbone. De même on élimine pratiquement tout risque de formation de criques, ou, pour le moins, on limite le dévelop- pement de ces criques et la formation de fissures à une zone comprise entre deux bandes consécutives à base de fils à bas module. Bien-entendu, les exemples qui précèdent ne limitent pas la portée de l'invention qui couvre également toutes les va- riantes réalisées dans le même esprit. Comme déjà dit, on ne sort pas de l'invention en augmentant ou en diminuant la lar- geur des bandes de fils de carbone par rapport à celles à base de fils à bas modEule (fils de verre par-exemple), et/ou en réalisant des bandes présentant des largeurs différentes les unes par rapport aux autres, et/ou en réalisant le tissu à la fois en chaîne et en trame, conformément à l'invention. REVERDICATIONS 1/ Matériau tissé complexe pour la réalisation d'articles stratifiés du type constitué, au-moins pour partie majoritaire, de filaments de carbone, caractérisé par le fait que les fils de carbone sont disposés sous forme de bandes 1 disposées dans au-moins une direction du tissu, séparées entre elles par des bandes 2 de fils, ayant un module inférieur aux fils de carbone, de faible largeur par rapport à la largeur des bandes de carbone. 2/ Matériau tissé complexe selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que les fils de carbone et les fils à bas module sont disposés dans une seule direction du tissu, l'autre direction étant tissée lâche et jouant le r6le de fils de lia- ge 3, ces fils de liage étant choisis parmi les fils chimiques fins, souples, de manière à obtenir un-tissu dans lequel les fils de carbone et les fils à bas module sont maintenus sensi- blement de manière rectiligne. 3/ Matériau selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les bandes de fils de carbone sont disposées dans le sens de la chaîne et ont une largeur comprise entre 3,5 centi- mètres et 8 centimètres et que les bandes de fils à bas module ont une largeur comprise entre 0,5 centimètre et 1 centimètre. 4/ Matériau selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé par le fait que les fils à bas module par rapport aux fils de carbone sont des fils de verre. 5/ Matériau selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé par le fait que le pourcentage de fils à bas module est compris, par rapport au poids total du matériau, entre 8 % et %. 6/ Matériau tissé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que les fils de liage sont choisis par- mi les fils de verre, de polyester, d'aramide..., la densité de liage étant avantageusement voisine de 4 coups par centimètre. 7/ Article stratifié constitué au-moins pour partie de couches de matériau tissé conforme à l'une des revendications 1 à 6. 8/ Article stratifié selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il est constitué d'une pluralité de couches super- posées disposées soit à angle droit, soit en formant des angles différents les unes par rapport aux autres. - 10 - D/ Article stratifié selon la revendication 8, caracté- risé par le fait que-l'entrecroisement des couches est réalisé de telle sorte que les bandes de fils à bas module forment des zones constituées uniquement par de tels fils à bas module. DEPOSANT: J. BROCHIER & Fils MANDATAIRE: Cabinet Michel LAURENT