Brevet FR2482080A1 — publié le 19811113

La présente invention concerne des structures compo- sites en verre renforcé de fibresde carbure de silicium. A cause de la pénurie et du coût toujours accru de nombreux métaux structurels de haute température, une attention crdssartea été consacrée aux structures composi- tes ne contenant pas de métauxcomme matière de remplacement pour les matières contenant du métal utiliMéesà température élevée. L'utilisation des résines renforcées de fibres de résistance élevée comme remplacement des métaux et même des matières composites à matrice métallique renforcée de fibres de résistance élevée a progressé jusqu'à un point o elles sont commercialement acceptables comme produit depuis les articles de sport jusqu'aux constituants des avions à réaction d'avant-garde. L'un des grands problèmes avec ces matières composites a été leur température maximum d'utilisation. Et alors que de grands progrès ont été faits dans l'augmentation des températures d'utilisation, par exemple en utilisant de telles matières composites sous forme de verre renforcé de fibres de graphite et sous forme de verre renforcé de fibres d'alumine, il existe encore beaucoup de place pour des améliorations. Par exemple, alors que les matières composites de verre renforcées de fibres de graphite montrent des valeurs élevées de résistance mécanique, de résistance à la fatigue et de ténacité, elles sont également susceptibles de subir une oxydation nuisible des fibres aux températures élevées. Et alors que des matiè- res composites tDesque du verre renforcé de fibres d'alumine sont stables du point de vue oxydation aux températures élevées, les niveaux généraux de résistance mécanique et de ténacité pouvant être obtenus avec ces matières composi- tes sont inférieurs à ceux possibles avec le système de verre renforcé de graphite par exemple. Par conséquent, ce qui est nécessaire dans la technique est une matière compo- site ayant une résistance mécanique élevée, une ténacité élevée et une stabilité contre l'oxydation aux températures élevées. La présente invention concerne une solution aux problèmes de la résistance mécanique, de la ténacité et de la stabilité contre l'oxydation qui existe avec les 2- matières composites connues et consiste en des matières composites de verre renforcé de carbure de silicium ayant une résistance mécanique élevée, une ténacité élevée et une stabilité à l'oxydation même aux températu- res élevées. Selon un mode de réalisation de l'invention un verre à base de borosilicate est utilisé et des matières composites avec des résistances à la flexion dépassant 413,7 MPa pouvant être maintenues à des températures jusqu' à 6000C sont produites. Selon un autre but de l'nvention, un verre à forte teneur de silice est utilisé et on produit des résistances à la flexion dépassant 413,7 MPa pouvant être maintenues à des températures jusqu'à 11500C. Selon encore un autre but de l'invention, on uti- lise un verre d'aluminosilicate des matières composites avec des résistances à la flexion dépassant 517,1 MPa pouvant être maintenues jusqu'à 7000C sont fabriqués. Pour que. linvention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure lA représente graphiquement les valeurs de la résistance à la flexion pour une matière composite en'verre de borosilicate renforcé par des fils de carbure de silicium selon la présente invention. La figure 1B représente graphiquement les valeurs de la résistance à la flexion pour une structure composite en verre de borosilicate renforcé par des monofilaments de carbure de silicium à grand diamètre selon la présente invention. La figure 2 représente graphiquement les valeurs de la résistance à la flexion pour une structure composite à verre à forte teneur en silice selon la présente invention. La figure 3 représente les valeurs de la résistance à la flexion pour une structure composite en verre d'alumi- nosilicate selon la présente invention. Bien que tout verre de borosilicate communiquant les propriétés décrites peut être utilisé avec la présente invention, le verre Corning 7740 (Corning Glass Works) 2482O8O -3- a été trouvé particulièrement adéquat pour produire de teles propriétés. Similairement, le verre Corning 7930 (en- viron 96% en poids de silice), obtenu par décapage du bore du verre de borosilicate, et le verre Corning 1723 sont les verres en forte teneur de silice et d'alumino- silicate respectivement préférés. Bien que le verre de borosilicate et le verre d'aluminosilicate peuvent être ullisés tel que reçus avec granularité inférieure à 0,044 microns, les propriétés souhaitées pour les structures composites en verre à forte teneur de silice peuvent seule- ment être fabriquées avec satisfaction avec ce verre après qu'il ait été broyé au broyeur à boulets dans du propanol durant plus de 100 heures. Il doit également être remarqué que des mélanges des verres ci-dessus peuvent également être utilisés, les propriétés étant changées de façon correspondante. Tout système de fibres de carbure de silicium ayant la résistance mécaniaue souhaitée peut être utilisé, bien xmultiples qu'un fil à filaments / en carbure de silicium avec un diamètre moyen desfilaments jusqu'à 50 microns soit préféré et encore mieux un fil avec un diamètre moyen desfilaments de 5 à 50 microns. Nippon Carbon Company du Japon produit un tel fil avec environ 25 fibres par fil et un diamètre moyen desfibres d'environ 10 microns. La résistance moyenne de la fibre est d'environ 2000 MPa, et elle peut être utili- sée jusqu'à une température de 15000C. Le fil a une densité d'environ 2,7 g par cc et un module élastique d'environ 221 GPa. Si on utilise un monofilament de carbure de silicium, un monofilament de carbure de silicium-typique d'environ 140 microns de diamètre est disponible chez AVCO Systems Division, Lowell, Massachusetts. Cette fibre présente une résistance à la traction moyenne jusqu'à 3450 MPa, a des capacités à température élevée jusqu'à 13000 C et est stable dans des milieux oxydants. Bien qu'un grand nombre de procédés peuvent être mises en oeuvre pour produire des articles selon la présente invention, par exemple des procédés habituellement utilisés pour produire des articles de verroterie, le procédé préfé- ré consiste en un pressage à chaud d'un mélange de fibres -4 - de carbure de silicium et de verre en poudre. Ce procédé présente une flexibilité particulière pour la réalisation desdesigns en orientant les fibres, et les structures compo- sites réalisées par un tel procédé conviennent particuliè- rement bien pour le pressage à chaud en forme souhaité. Un exemple de procédé consiste à-dérouler continuellement un fil en fibres de carbure de silicium d'une bobine en un débit modéré et à faire passer ces fibres au travers d'une combinaison de verre en poudre, plus du solvant et du plastifiant pour imprégner le fil. Les fibres imprégnés sont alors rebobinéessur une bobine en rotation plus grande. Un exemple de combinason de compositions peut être composé d'environ 40 g de verre en poudre et d'environ 780 ml de propanol. Selon une autre possibflité -la composition peut être constituée par environ 85 g de verre et 200 g de propanol, 10 g d'alcool polyvinylique et 5 gouttes (environ 1 cc) d'un agent mouillant tel que le Tergitol. Le tambour récepteur fonctionne de préférence en une révolu- tion par minute ou avec une vitesse linéaire d'environ 152,4 cm par minute. L'excédant de verre et de solvant peut être enlevé en pressant un racloir contre le tambour pendant qu'il tourne. De préférence, le verre broyé a une granularité telle qu'environ 90% de celui-ci passe au travers d'un tamis à 0,044 mm de diamètre d'ouverture. La bande imprégnée est alors séchée soit à température ambiante soit à température élevée avec une source d'éner- gie rayonnante pour éliminer le solvant. Après l'étape d'imprégnation, on enlève les fibres du tambour et on les découpe en feuilles pour se conformer aux dimensions de l'article à fabriquer. Les fibres sont alors disposées selon toute orientation souhai- tée. La structure composite assemblée est alors soumise à un pressage à chaud, soit sous vide, soit sous atmosphère de gaz inerte tel que l'argon, dans des moules métalliques revêtus de nitrure de bore colloïdal ou des moules en graphite sur lesquels on a pulvérisé une poudre de nitrure de bore, à des pressions de 6,9 à 13,8 MPa et à des tempé- ratures d'environ 1050-1450OC. Du verre supplémentaire sous forme de poudre-peut également être inséré entre les couches individuelles lorsqu'elles sont mises en place si nécessaire, pourobtenir le pourcentage en volume préféré de 50% de fibres de carbure de silicium dans la structure composite. On peut également faire vibrer le moule pour garantir une répartition uniforme du verre au dessus des surfaces de fibres. Les fibres peuvent être empilées l'une par rapport à l'autre en couches alter- nées selon toute séquence soUhaitée, par exemple toutes les couches comprennent des fibres unidirectionnelles (orientation 0 ), ou des couches alternées de fibres orientées à 0 et 900 ou 00/300/600/900, 0 + 45 /90 ,etc. En plus de présenter une bonne ténacité et une résistance à la flexion élevée, les structures composi- tes selon l'invention maintiennent ces propriétés même jusqu'à des températures exceptionnellement élevées.Dans la figure 1A on démontre la résistance à la flexion excep- tionnelle d'une structure composite en verre de borosili- cate renforcé de fibres de carbure de silicium o on uti- lise un fil de carbure de silicium. Pour une orientation des fibres 00/90 (courbe A),des résistances à la flexon dépassant 275,8 MPa jusqu'à des températures de 6000C cnt été obtenues.Pour une orientation de fibres de 0 (courbe B),des résistances à la flexion dépassant 413,7MPa jusqu' à des températures de 600 C ont été obtenues. Comme on peut le voir dans la figure lB,les structures composites de verre de borosilicate (Corning 7740) renforcé de fila- ments de fibre de carbure de silicium (orientation 00) présentent également des résistances à la flexion élevées dépassant 413,7 MPa et comme on l'a spécifiquement démon- tré par les courbes A et B, dépassant 517,1 MPa pour la courbe A(35% en volume de charge de fibres)et dépassant 689,5 MPa pour la courbe B (65% en volume de charge de fibres),lesquelles résistances à la flexion peuvent être maintenues à des températures jusqu'à 600 C. L'orientation des fibres de carbure de silicium 00/900 dans une matrice en verre de borosilicate permet d'obtenir une résistance à la flexion dépassant 275,8 MPa et de préférence dé- passant 344,8 MPa pouvant être maintenue à des tempé- ratures jusqu'à 600 C. 6- La figure 2 démontre un exemple de structure compo- site renforcée de fibres de carbure de silicium (orienta- tion 00) dans du verre à forte teneur en silice.Les cour- bes C et D représentent les limites inférieure et supérieure respectivement pour des valeurs obtenues avec des structures composites contenant entre. 30 à 40% de charge de fibres en volume.Ces structures composites à verre à teneur élevée en silice présentent des résistances à la flexion dépassant 413,7 MPa, et de préférence dépassant 482,7 MPa, même à des températures jusqu'à 1150OC. Dans la figure 3, on voit la résistance à la flexion exceptionnelle d'une structure composite renforcée de fibres de carbure de silicium dans un verre d'alumino- silicate. La figure 3 (charge de fibre de 50% en volume) montre pour une orientation de fibre de 00/900 (courbe E) des résistances à la flexion dépassant 517,1 MPa et de préférence dépassant 689,5 MPa maintenues à des températures jusqu'à 7000C. et pour une orientation de fibres de 0 (courbe F) des. résistances à la flexion dépmÈ;ant 1034,3 MPa et de préférence 2068,5 MPa sont maintenues jusqu'à une température de 7000C. La ténacité, mesurée selon le test de la poutre entaillée en trois points, résulte en des facteurs de concentration de contraintes critique (KC) dépassant 165 x 105 N.ur3/2 pour l'orientation à 0 / et dépassant 275 x 105 N.m-3/2 pour l'orientation à 0O/ qui sont maintenus jusqu'à 7000C.. Les structures composites en verre renforcé de carbure de silicium selon l'invention ont une utilité particulière comme élément structurel en verre utilisable à température élevée dans des environments o la résistance à l'oxydation, la résistance mécanique et la ténacité sont nécessaires ou sont spécialement adaptables pour ces propriétés dans un milieu à température élevée (par exemple dépassant 6000C et dans certains cas dépassant 1000 C) comme dans le cas d'un moteur à turbine à gaz o d'un moteur à combustion. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux articles qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. Revendications: 1. Structure composite en verre renforcé de fibres de carbure de silicium caractérisée en ce qu'elle consis- te en environ 30 à 70% en volume de fibres de carbure de silicium dans une matrice de verre de borosilicate, cette structure composite ayant une résistance à la flexion dépassant 275,8 MPa à des températures jusqu'à 600 c. 2. Structure composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que la résistance à la flexion dépasse 413,7 MPa jusqu'à des températures de 6000C. 3. Structure composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'orientation des fibres l'une par rapport à l'autre dans la structure composite est de oO C. 4. Structure composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que ces fibres ont une orientation d'environ 00/900 dans la structure composite. 5. Structure composite selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que la fibre de carbure de silicium est présente en une quantité d'en - viron 50% en volume. 6. Structure composite en verre renforcé de fibres de carbure de silicium caractérisée en ce qu'elle comprend à 70% en volume de fibres de carbure de silicium dans un verre à forte teneur de silice, cette structure composi- te ayant une résistance à la fleson d'environ 413,7 MPa à des températures jusqu'à 1150 0C. 7. Structure composite selon la revendication 6, caractérisée à ce que les fibres de carbure de silicium ont une orientation l'une par rapport à l'autre d'environ 0 dans la structure composite. 8. Structure composite selon la revendication 7, carac- térisée en ce que les fibres sont présentes en une quantité d'environ 50% en volume. 9. Structure composite en verre renforcé de carbure de silicium caractérisée en ce qu'elle comprend 30 à 70 % en volume de fibres de carbure de silicium dans un verre d'aluxninosilicate, cette structure composite ayant une - 8 - résistance à la flexion d'environ 5171 bars à des tempéra- tures jusqu'à 700 C. 10. Structure composite selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle a une résistance à la flexion d'environ 10343 bars à des températures jusqu'à 700 C. 11. Structure composite selon la revendication 9, caractérisée en ce que les fibres de carbure de silicium ont une orientation d'environ 00/90 . 12. Structure composite selon la revendication 10, caracatéris6e en ce que les fibres de carbure de silicium ont une orientation l'une par rapport à l'autre de 0 C dans la structure composite. 13. Structure composite selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle a une tenacité mise en évidence par un facteur de concentration de contrainte critique dépassant 165 x 105 N.m-3/2 14. Structure composite selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle présente une ténacité dépassant 275 x 105 N.m3/2. 15. Structure composite selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce que les fibres de carbure de silicium sont présentes en une quantité d'environ 50% en volume.