Brevet FR2474136A1 — publié le 19810724

La présente invention concerne une structure tridimensionnelle annulaire constituée par l'entrecroi- sement régulier d'éléments filiformes répartis en plu- sieurs familles d'éléments, chaque famille étant consti- tuée d'éléments de même type présentant une même dispo- sition particulière au sein de la structure. Une structure de ce type est notamment utili- sable comme structure de renfort pour un matériau com- posite destiné à la réalisation de pièces de révolution devant présenter une grande cohésion et des propriétés uniformes en tous points d'une même circonférence. Une application typique de la structure est la réalisation d'un matériau composite carbone-carbone (structure de renfort en éléments filiformes de carbone densifiée par une matrice de carbone) destiné à la fabrication de tuyères ou de pièces de tuyères de moteurs fusées. Plusieurs structures tridimensionnelles an- nulaires ont déjà été proposées. Ainsi il est connu de réaliser des structures annulaires constituées d'une famille d'éléments rectili- gnes radiaux, c'est-à-dire perpendiculaires à l'axe de la structure, d'une famille d'éléments rectilignes axiaux, c'est-à-dire parallèles à l'axe et d'une famille d'éléments incurvés circonférentiels. Par éléments cir- conférentiels, on entend ici des éléments disposés en nappes cylindriques soit sous forme de spires circulai- res distinctes situées à intervalles réguliers dans des plans perpendiculaires à l'axe, soit sous forme de bobi- nages hélicoïdaux de faible pas avec des spires dont l'inclinaison par rapport aux plans perpendiculaires à l'axe est aussi petite que possible. Une telle structure est décrite dans la demande de brevet français n0 2 408.676. Il est aussi connu de réaliser une structure annulaire constituée d'une première famille d'éléments incurvés hélicoidaux disposés en nappes cylindriques co- axiales suivant des trajectoires hélicoïdales de même pas et de même sens, d'une deuxième famille d'éléments incurvés hélicoïdaux disposés en nappes cylindriques coaxiales alternées avec celles de la première famille suivant des trajectoires hélicoïdales de même pas que pour la première famille mais de sens opposé, et d'une famille d'éléments rectilignes radiaux. Un point commun à ces deux structures annulai- res à trois familles connues est de comporter deux fa- milles disposées en couches adjacentes séparées les unes des autres par des surfaces de séparation traversées uniquement par les éléments rectilignes de la famille d'éléments radiaux. Ces éléments rectilignes ne peuvent assurer un verrouillage absolu des couches des deux au- tres familles. Il y a alors pour ces couches une possi- bilité de délaminage, c'est-à-dire de décohésion paral- lèlement aux éléments radiaux. On conçoit qu'une telle possibilité soit hautement indésirable lorsque l'un des buts visés est la fabrication de pièces présentant une grande cohésion. Pour éliminer ce risque de décohésion, il a été proposé dans la demande de brevet français no 2 421.056 une structure annulaire constituée de quatre familles d'éléments filiformes, en particulier une structure du type comportant une première et une seconde famille d'éléments méridiens rectilignes, obliques par rapport à l'axe de la structure et formant dans chaque famille des nappes méridiennes réparties régulièrement autour de l'axe de la structure et une troisième et une quatrième famille d'éléments hélicoïdaux formant dans chaque famille des nappes cylindriques de même axe que la structure et réparties régulièrement en direction radiale, l'inclinaison par rapport à l'axe des éléments de la première famille étant égale mais de sens opposé à celle des éléments de la seconde famille et les tra- jectoires hélicoïdales des éléments de la troisième fa- mille ayant le même pas que celles des éléments de la quatrième famille, mais avec un sens opposé. Par élément méridien oblique, on entend ici un élément situé dans un plan méridien et faisant avec l'axe de la structure un angle différent de 00, 900 et 1800. On obtient certes un réel verrouillage des couches adjacentes de deux familles par les éléments des deux autres familles qui traversent les surfaces de séparation entre ces couches avec des inclinaisons dif- férentes par rapport à ces surfaces. Toutefois, cette structure à quatre familles ne peut être réalisée que suivant certaines dispositions, ce qui limite les appli- cations possibles de la structure. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de fournir une structure tridimensionnelle annulai- re ne présentant pas de risque de décohésion et pouvant être adaptée en vue de satisfaire des exigences particu- lières tenant notamment à la disposition des éléments ou à la distribution spatiale des propriétés de la structu- re, tout en gardant une valeur élevée à la teneur volu- mique en éléments de renfort, c'est-à-dire au rapport entre le volume réel occupé par les éléments de la structure et le volume apparent de celle-ci. Ce but est atteint par une structure du type précité comportant deux familles d'éléments méridiens obliques et deux familles d'éléments hélicoïdaux, struc- ture c a r a c t 6 r i s é e e n c e q u ' elle comporte a u m o i n s une cinquième famille choisie dans le groupe constitué par une famille d'éléments radiaux formant des nappes méridiennes réparties régulièrement autour de l'axe de la'structure, une famille d'éléments c i r c o n f é r e n t i e l s formant des nappes cylin- driques de même axe que la structure et réparties régu- lièrement en direction radiale et une famille d'élé- ments axiaux formant des nappes méridiennes ou cylin- driques réparties régulièrement dans la structure. -Les éléments de chaque famille constitutive de la structure forment des nappes méridiennes ou cy- lindriques dans lesquelles ils sont espacés régulière- ment les uns des autres et ont même disposition. La première et la seconde famille étant for- mées d'éléments méridiens obliques ayant par rapport à l'axe de la structure,des inclinaisons égales mais de sens opposés l'un à l'autre, elles forment un ensemble pratiquement symétrique par rapport à des plans méri- diens et à des plans perpendiculaires à l'axe. Il en est de même pratiquement pour l'ensemble constitué par la troisième et la quatrième famille puisqu'elles sont formées d'éléments disposés en couches cylindriques concentriques suivant des trajectoires en hélice de même pas mais de sens opposés l'un à l'autre. Puisque la ou chaque famille supplémentaire est une famille d'éléments radiaux, circonférentiels on axiaux, la structure dans son ensemble est pratiquement symétrique suivant des plans méridiens et perpendiculaires à l'axe. Un autre avantage de la structure conforme à l'invention réside dans le fait que l'adjonction d'une famille d'éléments radiaux,circonférentiels ou axiaux permet, suivant le besoin, de conférer certaines propriétés mécaniques ou physiques aux pièces à produire,grâce à la présence de renfort suivant l'une ou plusieurs des trois "directions" principales de l'anneau. Par ailleurs, du fait que la structure con- forme à l'invention comporte au moins cinq familles différentes, on peut obtenir une structure équilibrée proche de l'isotropie lorsque cela est désiré. Enfin, le nombre de familles d'éléments ayant des dispositions différentes dans la structure conforme à l'invention réduit à néant la possibilité de décohésion. Différents exemples de réalisation d'une structure conforme à l'invention sont décrits en détail ci-après à titre indicatif mais non limitatif. On se référera aux figures 1 à 3 du dessin joint qui illustrent schématiquement différentes étapes successives de construction d'une structure conforme à l'invention. Exemple 1 Un mandrin cylindrique M en graphite de 80 mm de diamètre et de 300 mm de long est percé de 1296 trous de 3 mm de diamètre et de 10 mm de profondeur. Ces trous, orientés perpendiculairement à l'axe du mandrin, sont régulièrement espacés avec un décalage angulaire de 100 sur une hélice dont le pas est égal à 7,2 mm. Dans cha- cun de ces trous est ensuite fixée une baguette rigide d'un diamètre de 3 mm et d'une longueur de 80 mm, en sorte qu'une fois mise en place, elle dépasse de 70 mm de la surface du mandrin. Ces baguettes sont faites de fibres de carbone unidirectionnelles liées par une rési- ne carbonisable telle qu'une résine phénolique. Seules quelques unes de ces baguettes sont représentées sur la figure 1 pour la clarté du dessin. Les 1296 baguettes se trouvent ainsi disposées en 36 nappes méridiennes ré- parties régulièrement autour de l'axe de la structure, chaque nappe comportant 36 baguettes parallèles entre elles, régulièrement espacées de 7,2 mm et perpendicu- laires à l'axe. Elles constituent la famille d'éléments radiaux R de la structure en construction. Ces baguettes régulièrement disposées délimi- tent entre elles des couloirs qui préfigurent l'orienta- tion des différentes autres familles d'éléments. Comme on peut le voir sur la figure 2, un de ces couloirs suit une trajectoire hélicoïdale hc avec un pas de 7,2 mm ce qui peut être considéré pratiquement comme une trajectoire circonférentielle. Dans ce cou- loir qui se développe sur 35 spires régulièrement espa- cées, on dispose un fil de carbone souple de 3 mm de diamètre formé de plus de 100.000 fibres de carbone as- semblées entre elles par torsion suivant une technique classique de l'industrie textile. Cette première couche bobinée constitue la première nappe cylindrique de la famille d'éléments circonférentiels C (figure 3). Les baguettes radiales délimitent également 36 couloirs longitudinaux t (figure 2) dans lesquels on pourrait mettre en place, si l'on voulait, des éléments rectilignes parallèles à l'axe pour constituer une fa- mille d'éléments axiaux, mais on n'use pas de cette pos- sibilité dans l'exemple présent. Les baguettes délimitent enfin des couloirs hélicoldaux obliques par rapport aux couloirs longitu- naux et circonférentiels. Il y a ainsi 36 couloirs héli- coidaux de même pas dans chacun des deux sens de rota- tion: "à droite" (hd) et "à gauche" (hg) par analogie avec les sens des pas de vis,ou respectivement "en Z" et "en S" par analogie avec les sens de torsion des fils textiles. On dispose alors par-dessus la première couche en place une deuxième couche cylindrique de fils de car- bone dans les couloirs hélicoïdaux à droite. Cette deu- xième couche constitue la première nappe hélicoïdale "à droite" HD. On utilise pour celà un fil continu d'un diamètre de 2 mm qu'on dépose successivement dans tous les couloirs hélicoïdaux à droite en lui faisant décrire un parcours en va et vient entre les deux faces latéra- les du cylindre formé par les baguettes radiales. On dispose ensuite, de la même façon, une troisième couche de fils de 2 mm dans les couloirs héli- coldaux à gauche constituant ainsi la première nappe cylindrique hélicoidale "à gauche" HG. On poursuit la mise en place des nappes cy- lindriques superposées en répétant régulièremenL et dans l'ordre la séquence qui vient d'être décrite: - une nappe circonférentielle en fil de 3 mm de diamètre, - une nappe hélicoïdale à droite en fil de 2 mm de diamètre, - une nappe hélicoïdale à gauche en fil de 2 mm de diamètre. Quand cette séquence a été reproduite 10 fois, la superposition de 30 couches de fils ainsi mises en place atteint une épaisseur de 70 mm de sorte que les baguettes radiales n'émergent plus du bobinage. En plus de la famille d'éléments radiaux, on a alors for- mé une famille d'éléments circonférentiels, une famille d'éléments hélicoïdaux à droite et une famille d'élé- ments hélicoïdaux à gauche, chacune de ces trois der- niêres familles étant constituée de nappes coaxiales de même axe que la structure, dans lesquelles les éléments sont régulièrement espacés les uns des autres, et qui sont régulièrement réparties au sein de la structure en direction radiale. L a e n s e m b 1 edes nappes cylindriques de la structure e s t c on a t i tu é par la j u x t a p o s i t i o n en direction radiale de groupes semblables constitués d'une nappe cylindrique d'éléments circonférentiels C, d'une nappe cylindrique d'éléments hélicoïdaux à droite HD et d'une nappe cy- lindrique d'éléments hélicoïdaux à gauche HG. On poursuit alors la réalisation de la struc- ture par la mise en place d'éléments rectilignes dans les espaces libres alignés qui existent entre les élé- ments des quatre familles déjà mises en place. Les élé- ments régulièrement entrecroisés de ces quatre familles délimitent en effet des alignements de canaux-rectili- gnes parallèles entre eux et régulièrement espacés, disposés suivant des plans méridiens intercalés entre les nappes méridiennes de baguettes radiales. Ces canaux qui sont obliques par rapport à l'axe de la structure se répartissent en deux familles suivant le sens de leur inclinaison par rapport à cet axe. Dans le cas de l'exemple décrit ici, ces angles valent approximative- ment 440 et 1360, et dans chacun des canaux, il esti possible d'introduire un élément rectiligne de 2 mm de diamètre et de 100 mm de long. La construction de la structure est donc pour- suivie en comblant tous ces canaux par des baguettes ri- gides ayant ces dimensions. Ces baguettes, comme celles de 3 mm, sont faites de fibres de carbone liées par une résine carbonisable. Elles constituent deux familles d'éléments méridiens obliques MOl et M02. Les éléments méridiens obliques de chacune de ces deux familles forment des nappes méridiennes qui sont régulièrement réparties autour de l'axe de la structure et dans lesquelles les éléments sont parallè- les entre eux et régulièrement espacés. Une nappe méri- dienne d'éléments MOl et une nappe méridienne voisine d'éléments M02 se trouvent entre deux nappes méridien- nes consécutives d'éléments radiaux. La structure com- porte ainsi un ensemble de nappes méridiennes constitué par la répétition régulière autour de l'axe de la struc- ture de la séquence formée d'une nappe méridienne d'élé- ments MOl, d'une nappe méridienne d'éléments ?102 et d'une nappe méridienne d'éléments R. Quand tous les canaux ont ainsi été comblés, la construction de la structure annulaire est terminée. Cette structure est finalement constituée de six famil- les d'éléments filiformes dont trois sont faites d'élé- ments incurvés et trois sont faites d'éléments rectili- gnes. La teneur volumique en éléments de renfort va en décroissantdepuis le diamètre intérieur jusqu'au dia- mètre extérieur, ce qui est parfaitement normal pour ce type de structure, étant donné le caractère divergent des plans méridiens. Ce taux volumique vaut 0,638 au niveau du diamètre intérieur et 0,389 au niveau du dia- mètre extérieur. Cette structure ne comporte aucun interface entre deux nappes parallèles qui ne soit pas traversé par au moins deux familles d'éléments ayant des orienta- tions différentes assurant un parfait verrouillage en sorte qu'elle est intégralement indélaminable. Cette structure peut ensuite être transformée en matériau composite par n'importe laquelle des techni- ques connues pour introduire une matrice dans une structure tridimensionnelle. La transformation en compo- site carbone-carbone de la structure décrite ci-dessus peut se faire par exemple par décomposition pyrolytique d'hydrocarbures gazeux ou par imprégnation au moyen d'une résine carbonisable ou au moyen de brai suivie de carbonisation avec ou sans pression. Le mandrin sur lequel a été réalisée la struc- ture ne fait pas partie de celle-ci et doit normalement être éliminé. Ceci peut se faire à n'importe quel moment avant, pendant ou après la transformation en matériau composite, le moment choisi pouvant dépendredu procédé de transformation adopté. L'élimination du mandrin peut se faire par usinage ou par dissolution de son matériau constitutif. Il va de soi que l'exemple qui vient d'être 3 5 décrit en détail ne représente que l'une des multiples formes que peut prendre la structure selon l'invention. En particulier, cette structure peut être réalisée en n'importe quel matériau susceptible de prendre la forme d'éléments filiformes rectilignes ou incurvés quelles que soient la forme et les dimensions de leur section, et rien n'empêche d'associer au sein d'une même struc- ture plusieurs matériaux de natures différentes. Exemple 2 La structure obtenue suivant cet exemple dif- fère de celle de l'exemple précédent du fait qu'elle est constituée par cinq familles d'éléments dont deux sont faites d'éléments hélicoïdaux, une est faite d'éléments axiaux et deux sont faites d'éléments méridiens obliques. Cette structure peut être obtenue en procédant comme dans l'exemple précédent à la différence près que la famille d'éléments circonférentiels d'une part, et la famille d'éléments radiaux d'autre part, sont supprimées et remplacées par une seule famille d'éléments axiaux de 3 mm de diamètre, ces éléments axiaux prenant place le long de chacune des lignes d'intersection entre les nap- pes respectivement cylindriques et méridiennes des deux familles remplacées. Les éléments axiaux forment des nappes méri- diennes régulièrement réparties autour de l'axe de la structure et dans lesquelles ils sont régulièrement es- pacés les uns des autres. Les nappes méridiennes de la structure sont constituées par la répétition régulière autour de l'axe de la structure de la séquenoe formée par une nappe mé- ridienne d'éléments MO1, une nappe méridienne d'éléments M02 et une nappe méridienne d'éléments axiaux. On peut aussi considérer que les éléments axiaux forment des nappes cylindriques coaxiales de mé- me axe que la structure, réparties régulièrement en direc- tion radiale et dans lesquelles les éléments sont régu- lièrement espacés les uns des autres. Les nappes cy- lindriques de la structure sont alors constituées par la juxtaposition en direction radiale de groupes sem- blables constitués chacun successivement par une nappe cylindrique d'éléments axiaux, une nappe cylindrique d'éléments hélicoïdaux à droite HD et une nappe cylin- drique d'éléments hélicoïdaux à gauche HG. Exemple 3 Dans une structure telle que décrite dans l'exemple 1, on remplace la moitié des éléments circon- férentiels de cette structure de départ (une nappe cy- lindrique sur deux) et la moitié de ses éléments ra- diaux (une nappe méridienne sur deux) par une famille d'éléments axiaux de 3 mm de diamètre, ces éléments trouvant place le long de chacune des lignes d'inter- section des nappes cylindriques et méridiennes supprimées. Comme indiqué ci-dessus à propos de l'exemple 2, les éléments axiaux peuvent être considérés comme formant des nappes méridiennes ou des nappes cylindri- ques. Chaque nappe méridienne d'éléments axiaux rempla- ce une nappe méridienne sur deux d'éléments radiaux de la structure de l'exemple 1. De façon similaire, chaque nappe cylindrique d'éléments axiaux remplace une nappe cylindrique sur deux d'éléments circonférentiels de la structure de l'exemple 1. On obtient alors une structure annulaire com- portant sept familles d'éléments se décomposant en - une radiale, - une circonférentielle, - une axiale, - deux hélicoïdales (à droite et à gauche), - deux méridiennes obliques. Les exemples décrits ci-avant ne sont absolu- 1 2 ment pas limitatifs. En effet, sans sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées, on pourra ap- porter à ces exemples de réalisation des modifications portant en particulier sur - la nature et les dimensions des éléments, - leur disposition au sein de chaque famille, - le mode d'imbrication des éléments des dif- férentes familles entre eux, - les dimensions et les proportions de la structure, - sa destination, - etc REVENDICATIONS 1. Structure tridimensionnelle annulaire consti- tuée par l'entrecroisement régulier d'éléments filifor- mes répartis en plusieurs familles d'éléments, chaque famille étant constituée d'éléments de même type présen- tant une même disposition particulière au sein de la structure, ladite structure comportant une première et une seconde famille d'éléments méridiens rectilignes obliques par rapport à l'axe de la structure et formant dans chaque famille des nappes méridiennes réparties régulièrement autour de l'axe de la structure et une troisième et une quatrième famille d'éléments hélicol- daux formant dans chaque famille des nappes cylindri- ques de même axe que la structure et réparties régu- lièrement en direction radiale, l'inclinaison par rap- port à l'axe des éléments de la première famille étant égale mais de sens opposé à celle des éléments de la seconde famille et les trajectoires hélicoïdales des éléments de la troisième famille ayant le même pas que celle des éléments de la quatrième famille mais avec un sens opposé, structure caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une cinquième famille choisie dans le groupe constitué par une famille d'éléments radiaux formant des nappes méridiennes réparties régulièrement autour de l'axe de la structure, une famille d'éléments circonférentiels formant des nappes cylindriques de même axe que la structure et réparties régulièrement en direction ra- diale et une famille d'éléments axiaux formant des nap- pes méridiennes ou cylindriques réparties régulièrement dans la structure. 2. Structure selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comporte un ensemble de nappes mé- ridiennes constitué par la répétition régulière autour de l'axe de la structure de la séquence formée par une nappe d'éléments méridiens obliques de la première fa- mille, une nappe d'éléments méridiens obliques de la deuxième famille et une nappe d'éléments radiaux. 3. Structure selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de nappes cylindriques de même axe que la structure et formé par des groupes juxtaposés consti- tués chacun par une nappe d'éléments hélicoïdaux de la troisième famille, une nappe d'éléments hélicoïdaux de la quatrième famille et une nappe d'éléments circonférentiels. 4. Structure selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comporte un ensemble de n'appes mé- ridiennes constitué par la répétition régulière autour de l'axe de la structure de la séquence formée par une nappe d'éléments méridiens obliques de la première fa- mille, une nappe d'éléments méridiens obliques de la deuxième famille et une nappe méridienne d'éléments axiaux. 5. Structure selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 4, caractérisée-en ce qu'elle comporte un ensemble de nappes cylindriques de même axe que la structure et formé par des groupes juxtaposés consti- tués chacun par une nappe d'éléments hélicoïdaux de la troisième famille, une nappe d'éléments hélicoïdaux de la quatrième famille, et une nappe cylindrique d'élé- ments axiaux. 6. Structure selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comporte une famille d'éléments ra- diaux, une famille d'éléments circonférentiels et une famille d'éléments axiaux. 7. Structure selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de nappes méridiennes constitué par la répéti- tion régulière autour de l'axe de la structure de la séquende formée par une nappe d'éléments méridiens o- bliques de la première famille, une nappe d'éléments méridiens obliques de la deuxième famille, une nappe d'éléments radiaux, une nappe d'éléments méridiens o- bliques de la première famille, une nappe d'éléments méridiens obliques de la deuxième famille et une nappe méridienne d'éléments axiaux. 8. Structure selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 6 et 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de nappes cylindriques de même axe que la structure et formé par des groupes juxtaposés consti- tués chacun par une nappe d'éléments circonférentiels, une nappe d'éléments hélicoidaux de la troisième famille, une nappe d'élémentshélicoIdaux de la quatrième famille, une nappe cylindrique d'éléments axiaux, une nappe d'éléments hélicoIdaux de la troisième famille et une nappe d'éléments hélicoïdaux de la quatrième famille.