Brevet FR2527593A1 — publié le 19831202

La présente invention est relative à des structures en graphite imprégné renforcé et à un procédé d'obtention de telles structures. Par graphite imprégné, on entend un graphite artificiel rendu imperméable par une ou plusieurs imprégnations à coeur de résine, cette résine pouvant être choisie par exemple parmi les résines thermodurcissables et thermoplastiques. Ce graphite imprégné est utilisé principalement dans les constructions de matériels industriels, en particulier en génie chimique o il peut être utilisé pour constituer des pièces telles que, par exemple, des colonnes et leurs ac- cessoires tels que plateaux, injecteurs, etc, des blocs d'échangeur de chaleur, des plaques d'échangeurs à tubes, etc. Un des inconvénients du graphite imprégné est de n'avoir que de très modes- tes-caractéristiques mécaniques, en particulier de résistance à la traction et à la flexion De plus, c'est un matériau tendre qui résiste mal à l'abrasion et à l'érosion Ces faiblesses conduisent à l'utilisation d'épaisseurs très impor- tantes, voire parfois à des impossibilités de construction surtout dans le cas d'enceintes ou d'appareils soumis à une pression interne. Le but essentiel de l'invention est d'augmenter les caractéristiques méca- niques du graphite imprégné afin de pallier les inconvénients cités. Ce but est atteint selon l'invention qui consiste en une structure en gra- phite imprégné de résine caractérisée en ce qu'elle comporte sur au moins une partie de sa surface un renfort de fibres imprégnées de résine, ladite résine servant à rendre intimement solidaires le graphite imprégné et le renfort. La résine peut être la même que celle servant pour l'imprégnation du gra- phite, par exemple une résine thermodurcissable ou une résine thermoplastique. Le renfort de fibres est disposé sur la structure là o les contraintes et/ou les efforts sont les plus élevés. Etant donné que graphite imprégné et renfort sont intimement solidaires, le renfort participe effectivement à la résistance de l'ensemble. Il est clair que la disposition de ce renfort dépend de la destination de la structure comme décrit à titre indicatif et non limitatif dans les exemples ci-après. Les fibres constituant ce renfort peuvent se présenter sous forme de tis- sus, de mats, d'enroulements filamentaires, de nappes unidirectionnelles avec possibilité de croisement, etc. Le renfort peut être constitué par une ou plusieurs couches de ces formes, les fibres des différentes couches pouvant avoir une urientat Lion différente d'une couche à l'autre. Les fibres peuvent être choisies parmi les fibres en carbone, en graphite, en verre, en silice, en alumine, en bore, cettc liste n'étint pas limitati tve. 252 ? 593 On sait par ailleurs que certaines fibres peuvent avoir de très hautes caractéristiques mécaniques et physiques, et une excellente résistance à la cor- rosion, telles par exemple les fibres de carbone ou de graphite On peut donc avantageusement utiliser leurs propriétés pour "doper" localement la structure en graphite imprégné. Un procédé d'obtention d'une structure suivant l'invention consiste à habiller sur au moins une partie d'une structure en graphite artificiel, un renfort de fibres, puis à imprégner l'ensemble de résine et enfin à procéder au durcissement de la résine. Des variantes peuvent être introduites suivant la destination de la struc- ture: les fibres peuvent etre préinprégnées d_ reine, et apres durcissemrent partiel de la résine, la structure peut, si besoin est, subir un usinage avant l'imprégnation totale de l'ensemble. Les exemples suivants, donnés à titre indicatif et non limitatif, illustrent l'invention: Exemple I Cet exemple est relatif au cas o la structure en graphite imprégné est un bloc cylindrique d'échangeur de chaieur à canaux croisés et est illustré par les figures I et 2. La figure 1 est une demi-coupe et la figure 2, une vue de dessus d'un tel bloc. Le bloc l est constitué de graphite imprégné de résine phénolique percé de rangées de canaux 2 parallèles à son axe o circulera le fluide corrosif, et de rangées de canaux 3 ne rencontrant pas les premiers et perpendiculaires à l'axe du bloc o circuiera le fluide caloporteur Sur la figure 2, seules 3 rangées de canaux 2 ont été matérialisées pour des raisons de dessin Les autres ran- gées sont matérialisées par des traits discontinus. Les deux faces du bloc sont pourvues chacune d'un renfort 4 constitué par plusieurs couches de tissu de carbone impregne de résine phénolique. Ce bloc peur etre obtenu de la mani Are suiante: on habille les 2 faces du bloc à l'aide de plusieurs couches de tissu de car- bone maintenues en place avec de la résine phénolique prépolymarisée Cet habil- lage dans ce cas est fair de la manière suiate: sur chaque face du bloc on place une couche de tissu de carbone que l'on badigeonne de résine phénolique prépolymérisée et l'on opère de meme avec les autres couches, après pclymérisation partielle de la résine, cn usine les deux réseaux de ca- naux, et enfin, on imprègne l'ensemble bloc plus renfort de résine phénolique qu'on laisse polymériser suivant la technique ciassique. 3- On peut éventuellement procéder à un réusinage pour les cas o des por- tées de joints seraient nécessaires. Des essais comparatifs ont été réalisés sur des blocs en graphite imprégné non renforcés et sur des blocs selon cet exemple On constate que: sans renfort, un bloc de graphite de diamètre 200 mm, hauteur 350 mm se fissure sous une force de compression de 30 000 da N, avec renfort, ce même type de bloc ne commence à se fissurer que sous une force de compression de 44 000 da N. On voit donc tout l'intérêt que présente l'invention dans ce domaine. En effet, dans les échangeurs de chaleur à blocs, ceux-ci sont empilés les uns sur les autres et maintenus en position par un effort de compression interne qui assure l'étanchéité En augmentant considérablement la résistance à la compression des blocs, on limite les risques de fissuration toujours forts. De plus, on constate que la résistance à l'érosion des blocs renforcés suivant l'invention est considérablement augmentée Des essais ont montré que la quantité de matière enlevée, toutes choses égales par ailleurs, est jusqu'à 6 fois inférieure à celle des blocs non renforcés. Exemple 2 Cet exemple est relatif au cas o la structure est une plaque circulaire en graphite imprégné d'échangeur tubulaire et est illustré par les figures 3 et 4. La figure 3 est une demi-coupe et la figure 4, une vue de dessus d'une telle plaque. La plaque circulaire 5 est constituée de graphite imprégné de résine phé- nolique dans laquelle est percée une série de trous cylindriques 6 servant de logements aux tubes 7 et au passage du fluide corrosif Sur la figure 4, on n'a matérialisé que quelques trous 6 et quelques emplacements de ces trous (inter- sections des traits discontinus). Les deux faces de la plaque sont munies chacune d'un renfort 8 constitué par plusieurs couches de tissu de carbone imprégné de résine phénolique. Cette plaque peut être obtenue de la manière suivante: à partir d'une plaque en graphite artificiel préusinée, on habille les deux faces de cette plaque à l'aide de plusieurs couches de tis- su de carbone maintenues en place avec de la résine phénolique prépolymérisée. Cet habillage, dans ce cas, est fait de la manière suivante: sur chaque face de la plaque, on place une couche de tissu de carbone que l'on badigeonne de ré- * sine phénolique prépolymérisée, et l'on opère de même avec les autres couches, après polymérisation partielle de la résine, on usine la série de trous, et enfin, on imprègne l'ensemble plaque plus renfort de résine phénolique qu'on laisse polymériser suivant la technique classique. Un réusinage des portées de joints et des logements de tubes peut alors être effectué si cela est nécessaire. Des essais comparatifs ont été réalisés sur des plaques d'échangeur tubu- laire en graphite imprégné non renforcé et sur des plaques d'échangeur tubulai- re selon cet exemple On constate que la résistance à l'érosion des plaques d'échangeur tubulaire renforcées suivant l'invention est considérablement aug- mentée Des essais ont montré que la quantité de matière enlevée, toutes choses égales par ailleurs, est jusqu'à 6 fois inférieure à celle des plaques d'échan- geur tubulaire non renforcées. De plus, le fait de renforcer les deux faces de la plaque d'échangeur tu- bulaire augmente considérablement la résistance à la flexion. Des essais comparatifs ont été effectués sur une plaque de graphite impré- gné d'échangeur tubulaire non renforcé et sur une plaque de graphite imprégné d'échangeur tubulaire, de 25 mm d'épaisseur renforcée sur chaque face par un renfort de I mm d'épaisseur de couches de tissu de carbone On constate que la résistance à la flexion de plaques d'échangeur tubulaire suivant l'invention augmente de 40 % par rapport à celle de plaques d'échangeur tubulaire non ren- forcées. On voit tout de suite l'intérêt que peut présenter une telle amélioration de la résistance à la flexion de ces plaques dont la contrainte principale est l'effort à la flexion En effet, si leur résistance à la flexion est augmentée, on peut en diminuer l'épaisseur. Il est clair que les exemples d'application servent à illustrer l'invention mais que celle-ci peut s'appliquer à d'autres types de structures sans pour autant en sortir de son cadre. - R E V E N D I C A T I O N S 1 Structure en graphite imprégné de résine caractérisée en ce qu'elle comporte sur au moins une partie de sa surface un renfort de fibres imprégnées de résine, ladite résine servant à rendre intimement solidaires le graphite imprégné et le renfort. 2 Structure selon la revendication I caractérisée en ce que le renfort de fibres et le graphite sont imprégnés de la meme résine. 3 Structure selon la revendication I ou la revendication 2 caractérisée en ce que la ou les résines sont choisies parmi les résines thermodurcissables ou thermoplastiques. 4 Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes caracté- risée en ce que les fibres constituant le renfort se présentent sous forme de tissus, de mats, d'enroulements filamentaires, de nappes. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes carac- térisée en ce que les fibres sont choisies parmi les fibres en carbone, en gra- phite, en verre, en silice, en alumine, en bore. 6 Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes carac- térisée en ce qu'elle est constit L(e par un bloc cylindrique d'échliangeur de cha- leur comportant sur ses deux faces un renfort de fibres. 7 Structure selon l'une quelconque des ievendicaticns I à 5 caracterisee en ce qu'elle est constituée par une plaque circulaire pour échangeur tubulaire comportant sur ses deux faces un renfort de fibres. 8 Procédé d'obtention d'une structure selon l'une quelconque des reven- dications précédentes caractérisé en ce que l'on habille sur au moins une Dar- tie d'une structure en graphi:-e artificiel, un renfort de fibres, puis on im- prègne l'ensemble structure plus renfort de résine et enfro un laisse la résine durcir. 9 Procédé selon la revendicatisn P caractorisé en ce que les fibres du renfort sont préimprégnées uf -ésire. Procéd 6 selon la revendication caracterlse en ce que la résine de primprégnation des fibres est la meme que 1 i résine d'impr-gnation de l'ensm- ble structure plus renfort. Il Procedé selon l'une ciueiconque Acs reverndicatr S 8 10 car act'ise en ce que l'on usine la structure avant lirpegnatmn de r, ioe.