Brevet FR2544656A1 — publié le 19841026

L'invention concerne des matériaux convenant à une application à un blindage ou une cuirasse. L'invention a également pour objet un procédé de mise en forme d'un matériau de cuirasse arrêtant les projectiles et utilisant des résines et des fibres monofilaments. Actuellement, les casques de protection destinés au personnel militaire sont réalisés à l'aide d'une toile tissée imprégnée de résine. La toile tissée imprégnée est découpée en bandes rectangulaires ou suivant d'autres formes qui sont ensuite posées suivant une certaine configuration dans laquelle les bords des bandes se chevauchent pour former une structure préformée. La préforme est réalisée par l'application manuelle des bandes sur un#mandrin. L'opération de façonnage à la main et de chevauchement des diverses bandes de matière rend difficile la formation d'un matériel uniforme et le produit fini résultant présentait une résistance au choc très variable d'un emplacement à un autre. Ces variations de la résistance au choc et les faiblesses résultantes du casque sont évidemment indésirables. En outre, les matières fibreuses tissées sont coûteuses, à quantité égale, par rapport aux fibres monofilaments et l'opération consistant à imprégner la matière tissée de résine entraîne un surcout important. Par conséquent, la matière tissée imprégnée de résine est une matière première coûteuse pour une utilisation à la réalisation de formes préalablement façonnées. Le découpage d'une matière tissée imprégnée en bandes a pour résultat une perte importante de matière et augmente encore les coûts de traitement. Le gaspillage est encore plus important lorsque la matière tissée imprégnée est découpée en sections non rectangulaires. Brièvement décrite, l'invention concerne un procédé par lequel une fibre monofilament est utilisée en combinaison avec une résine pour la production d'une préforme convenant à un traitement supplémentaire qui consiste à amener la résine à maturation pour obtenir une matière thermodurcie. Le procédé permet une souplesse importante en ce qui concerne la configuration de la préforme et, étant donné que la matière monofilament est répartie uniformément dans le produit fini, le produit résultant est sensiblement uniforme. Lors de la mise en oeuvre du procédé de l'invention, une fibre monofilament est revêtue d'une résine non durcie, après quoi la fibre revêtue est enroulée sur un mandrin de façon à former plusieurs couches. Les filaments de chacune des couches successives sont disposés de façon à former un angle avec les filaments de la couche précédente produisant ainsi un grand nombre de croisements superposés de filaments. Les fibres sont disposées sur le mandrin suivant la configuration d'une préforme souhaitée et elles sont revêtues de suffisamment de résines pour se lier et se consolider en un corps homogène lorsque la résine est durcie. La préforme obtenue est placée dans un moule et de la chaleur et une pression sont appliquées pour la consolider. L'article cuirassé perfectionné produit par le procédé de l'invention est un matériau de cuirasse comportant un grand nombre de couches fibreuses, chacune des couches successives étant disposée de façon à former un angle avec la couche qui la précède immédiatement. Les fibres sont consolidées par une résine thermodurcie dont le pouvoir adhérant sur la fibre est inférieur à la résistance à la traction de la fibre. Le matériau de cuirasse résultant ne présente pas de ligne de faiblesse due à la présence de bords coupés. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel - la figure 1 est une élévation schématique partielle d'un procédé pour revêtir une fibre monofilament et pour là disposer sur un mandrin afin de réaliser une préforme - la figure 1A est une vue en perspective d'une préforme ainsi obtenue - la figure 2 est une coupe transversale schématique d'un outillage convenant à la maturation de la préforme ; et - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un mandrin pour enrouler un cylindre de matière fibreuse. Le dessin, sur lequel les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments, et notamment la figure 1 représentent un rouleau de fibre monofilament 10 à revêtir. La fibre est déroulée lentement sous traction d'une bobine 12 de façon à passer dans un bain 14 de résine liquide contenue dans un réservoir 16. La fibre monofilament 10 passe sous un rouleau 18 de tension et est tirée en continu de la matière résineuse. La fibre 20 revêtue de résine passe sur un rouleau 22 et arrive sur un mandrin rotatif 24 monté sur une broche 26. Le bobinage de la fibre est une technique connue de façonnage permettant de distribuer de nombreuses couches de fibres sur un mandrin afin de réaliser une préforme 27 comportant un grand nombre de couches. Les fibres sont enroulées étroitement sur le mandrin. Elles forment un grand nombre de points de croisement auxquels les fibres d'une couche passent par dessus les fibres de plusieurs couches précédentes en les croisant. Le dispositif de commande permettant de réaliser une masse de fibres réparties uniformément n'est pas représenté, mais il est connu du spécialiste du bobinage des fibres. Comme représenté, une préforme de casque est enroulée sur un mandrin de forme ovolde ou en oeuf.Lorsque l'enroulement est achevé, la préforme peut être coupée transversalement en deux moitiés, suivant une ligne 29, de façon que l'on obtienne deux préformes en forme de coupelle convenant à un pressage pour former un casque fini. Comme montré sur la figure 2, après que la fibre monofilament 20 enduite de résine a été enroulée sur le mandrin 24 et que la préforme a été coupée pour former deux coupelles 28, ces dernières peuvent être amenées à maturation à l'aide d'une presse 30. Après que la coupelle 28 a été placée sur une matrice inférieure 32 montée sur l'embase 34 de la presse, un moule supérieur complémentaire 36 présentant une cavité est monté sur le bâti supérieur 38 de la presse, au-dessus de l'outil 32, et est amené en position afin d'appliquer une pression de l'ordre de 3500-#4 000 kPa à la préforme. Les bâtis 34 et 38 du moule sont mobiles verticalement le long de colonnes 40 de support qui sont montées à l'aide de techniques classiques dans les bâtis du moule.La pression peut être appliquée par la mise en oeuvre d'une technologie hydraulique classique (non représentée), ainsi qu'il est courant dans le domaine du moulage et de la maturation des résines thermodurcissables armées de fibres. D'un point de vue fonctionnel, l'amplitude de la pression appliquée par les moules 32 et 36 à la préforme 28 est suffisante pour comprimer et consolider les fibres répondant à la maturation de la résine jusqu'à ce que l'on obtienne une matière thermodurcie. Des moyens sont associés aux. moules 32 et 36 pour appliquer de la chaleur aux préformes pendant le pressage afin d'amener la résine à maturation. Des sources de chaleur convenables comprennent de la vapeur vive, de l'huile chauffée, un rayonnement à radiofréquence ou des éléments chauffants à résistance électrique. L'amplitude du chauffage est généralement réglée de façon que la résine durcisse uniformément dans le plus court temps acceptable du point de vue industriel. La température à laquelle la préforme est amenée à maturation ou durcie dépend de la résine utilisée pour consolider les fibres. La durée du temps de maturation varie également en fonction de la résine et de la température. La détermination de la température et du temps souhaités de maturation-est du domaine de lthomme de l'art et elle ne sera pas décrite plus en détail. D'une façon générale, les fibres utiles à la mise en oeuvre de l'invention sont des fibres monofilaments. L'expression "fibre monofilament" utilisée dans le présent mémoire désigne des fibres ayant une certaine longueur de l'ordre de plusieurs décimètres jusqu'à plusieurs centaines de mètres. Ces fibres sont produites par divers fabricants mettant en oeuvre des techniques connues de formation de fibres. Les fibres sont disponibles en différents diamètres et elles sont constituées de différentes matières. Un type de fibres utiles à la mise en oeuvre de l'invention comprend les fibres de polyamide. Une fibre de polyamide disponible dans le commerce est vendue sous le nom de "Kevlar", qui est un monofilament de polyamide disponible auprès de la firme E.I. DuPont Company. Les fibres de polyamide présentent une excellente résistance# aux chocs, car elles ont tendance à absorber et dissiper les forces des chocs suivant leur axe longitudinal lorsqu'elles ne sont pas maintenues rigidement, et également d'un faisceau de fibres à un autre aux points de croisement. Des fibres monofilaments en verre constituent un second type de monofilaments utiles à la mise en oeuvre de l'invention. Les fibres de verre possèdent également une bonne résistance au choc et elles sont capables de former un matériau de cuirasse sain lorsqu'elles sont convenablement orientées et consolidées au moyen d'une résine thermodurcissable compatible. Un avantage du procédé de l'invention est que les couches successives peuvent être formées à l'aide de différentes matières fibreuses. En utilisant des techniques classiques de production, toutes variations du type de fibres de la matière tissée entrainent une variation substantielle des propriétés de la structure au point où la matière utilisée passe d'un type de fibre, par exemple une fibre de polyamide, à un second type de fibre, par exemple une fibre de verre. A l'aide des techniques de l'invention, une ou plusieurs couches constituées d'une fibre peuvent être disposées sur le mandrin et dgautres couches successives, constituées d'une seconde fibre, peuvent être appliquées sur les précédentes.Evidemment, si cela est souhaité, un certain nombre de couches fibreuses peuvent être diposées sur le mandrin afin que l'on obtienne un produit fini possédant les propriétés souhaitées. Par exemple, un matériau extrêmement dur, résistant aux chocs, pourrait être placé sur la couche extérieure du matériau de cuirasse afin d'absorber une partie substantielle du choc lorsqu'un projectile entre en contact avec le matériau de cuirasse dont les couches successives, constituées d'une matière plus flexible, sont conçues pour ralentir davantage et absorber le choc du projectile lorsqu'il pénètre. Etant donné que les couches sont disposées les unes à la suite des autres, aucune discontinuité n'apparaît dans chacune de ces couches individuelles. Avant d'être enroulé sur le mandrin, le monofilament est revêtu ou enduit d'une matière résineuse convenant à une consolidation et un maintien des fibres dans une matrice de résine. La-fonction de la résine est de consolider ou joindre et maintenir les fibres fermement afin que les couches se croisant forment un réseau trimensionnel. D'une façon générale, la résine utilisée dans la présente invention présente un pouvoir adhérent sur les fibres inférieur à la résistance à la traction de ces fibres. Autrement dit, sous l'effet dgun choc, les fibres sont libres de transmettre la force du choc le long de leur axe longitudinal, ce qui exige que la résine ne maintienne pas les fibres rigidement à leur surface, mais qu'elle permette un petit déplacement longitudinal de la surface des fibres à l'intérieur de la résine. Il est évident que la résine doit opposer une certaine résistance au mouvement des fibres afin que la structure résiste et que les fibres ne s'écartent, transversalement à leur axe, que de façon limitée sous le choc d'un projectile. Un type de résines utiles à la mise en oeuvre de l'invention est constitué des résines polyester . Ces résines polyester insaturées possèdent des groupes actifs hydroxyle et carboxyle contenus dans la résine et elles peuvent avoir des poids moléculaires moyens compris entre 800 et 5000 ou plus. On ajoute, à la matière résineuse, une petite quantité d'un catalyseur à radical libre, qui favorise la maturation ou le durcissement sous l'effet de lapplication de chaleur à la résine liquide. Une résine polyester utile à la mise en oeuvre de l'invention peut être la résine du type maléate de glycol. Ces résines sont obtenues à partir de l'acide ou de l'anhydride maléique avec le glycol souhaité, en présence d'un catalyseur d'estéfication.Des résines du type maleate-phtalate de glycol utilisant du glycol, de l'anhydride maléique et de l'acide phtalique ou isophtalique, avec le glycol, forment un autre type de résine polyester utile à la mise en oeuvre de l'invention. Ces résines sont produites par des techniques classiques et elles peuvent être modifiées par l'addition d'autres matières résineuses compatibles afin que l'on obtienne une résine ayant des propriétés souhaitées. Un autre type de résine utile à la mise en oeuvre de l'invention est constitué par les résines phénoliques. Ces dernières sont peu coûteuses, assurent une bonne consolidation, peuvent être manipulées par la mise en oeuvre de techniques classiques et ne se lient pas trop fermement au "Kevlar'1. Llhumidité doit être éliminée des résines phénoliques en phase "B" e au cours dune étape de traitement. Des résines d'ester vinylique constituent un autre type de résines avantageuses, convenant aux techniques de bobinage de filaments, sans qu'il soit nécessaire de faire passer la résine par la phase "B" Un autre type de résine pouvant être utile, suivant l'utilisation qui est faite de la cuirasse, est constitué par les résines d'uréthanne bien connues qui sont le produit de réaction d'un isocyanate avec un polyol. Ces uréthannes sont bien connus dans la technique pour leur flexibilité et leur résistance à la dégradation.Les uréthannes peuvent être modifiés par l'utilisation d'autres produits organiques de réaction connus, tels que des liaisons isocyanurate dans les résines, un tel isocyanurate augmentant également la résistance à la chaleur et donnant une résine à confi- guration spatiale trimérisée au niveau moléculaire, conférant une résistance mécanique et une rigidité supplé dentaires à la résine d'uréthanne. Comme montré sur le dessin, la fibre monofilament passe dans un bain de liquide avant d'être posée sur le mandrin. L'enduction par des résines liquides est une technique classique et cette technique d'enduction assure un revêtement complet et total de la surface de la fibre avec une résine liquide qui coule le long de la fibre et forme ainsi un revêtement uniforme. Les techniques d'enduction sont bien au point et il est possible d'assurer la formation d'un revêtement de résine liauide d'épaisseur sensiblement uniforme sur toute la longueur de la fibre lorsqu'elle arrive sur le mandrin. Il entre également dans le cadre de l'invention de revêtir la matière fibreuse d'une résine thermodurcissable solide qui peut former une matrice uniforme consolidée obtenue par maturation sous l'application de chaleur et de pression.Une telle technique consiste à chauffer la fibre et à la faire passer dans un lit fluidisé de matière thermodurcissable solidifiée en phase B, le monofilament chauffé contenant suffisamment de chaleur pour faire fondre une petite partie des particules de résine thermodurcissable qui adhèrent au monofilament et pour les entraîner ainsi sur le mandrin. Ces techniques d'enduction à lits fluidisés sont bien connues dans l'art antérieur. Sous l'effet de l'application supplémentaire de chaleur, la résine en phase B se liquéfie suffisamment pour remplir tous interstices adjacents, ce qui a pour résultat une matrice de résine uniforme maintenant le monofilament en position. Une autre technique d'enduction de résine-solide consiste à appliquer une petite quantité d'adhésif sensible à la pression sur la fibre monofilament avant de faire passer cette dernière à travers une résine thermodurcissable solidifée. L'adhésif sensible à la pression retient les particules solides de résine sur la surface du monofilament. Les monofilaments revêtus par ce procédé sont essentiellement secs et sont aisés à manipuler. Les monofilaments ainsi obtenus peuvent être enduits et ré-enroulés sur une bobine pour être utilisés ultérieurement, car le revêtement de résine thermodurcissable solide permet d'obtenir une fibre sèche, aisée à manipulée, qui peut être stockée sous forme de bobine et utilisée à une date ultérieure.Etant donné que les résines thermodurcissables ne réagissent pas avant l'application de chaleur et de pression sensiblement supérieure à la chaleur et à la pression ambiantes normales, le monofilament maintient la fibre dans un état non consolidé jusqu'au moment de la maturation. Comme indiqué précédemment, la résine du matériau selon l'invention est conçue pour maintenir les couches successives de matière fibreuse dans une disposition spatiale telle que les axes des fibres des couches successives de matière forment des angles compris entre 30 et environ 900, ces matières stratifiées présentant une résistance importante au déchirement sous l'impact d'un projectile Etant donné qu'un stratifié ainsi réalisé, conformément à l'invention, est conçu pour dissiper l'énergie d'un choc suivant la longueur des fibres et d'un faisceau de fibres à un autre, par un certain mouvement longitudinal des fibres, il est souhaitable de maintenir la résine au niveau minimal nécessaire pour le maintien des fibres dans la disposition et la consolidation ou l'assemblage appropriés.La quantité de résine présente correspond à la quantité nécessaire pour consolider ou assembler les fibres qui constituent 50 à 85 % du volume de la cuirasse. Les quantités de résine peuvent être suffisantes pour maintenir les fibres dans une configuration spatiale ferme, mais inférieures à celles nécessaires pour lier les fibres rigidement. Si la quantité de résine est sensiblement accrue au-dessus de la quantité souhaitée, la matrice de résine finit par constituer une partie importante du volume de la cuirasse, ce qui affaiblit le matériau. Des quantités de résine sensiblement inférieures à celle spécifiée ont pour résultat un matériau dans lequel les fibres ne sont pas convenablement consolidées ni maintenues dans la disposition spatiale demandée, de sorte que, sous l'effet d'un choc, les fibres tendent à se séparer et à permettre au projectile de passer à travers le matériau avant que les fibres aient absorbé le maximum de la force du projectile qu'elles peuvent supporter suivant leurs axes longitudinaux. Lorsque cela est souhaité, il est possible d'appliquer un apprêt ou autre revêtement sur les fibres avant leur traitement à la matière résineuse afin d'assurer que l'adhérence entre la fibre et la résine présente la valeur souhaitée pour qu'il se produise un mouvement suffisant de la fibre dans la matrice de résine sous l'effet du choc d'un projectile. Lors du façonnage, la constitution des couches au moyen de fibres monofilaments a pour but l'obtention de couches d'épaisseur minimale -et d'un nombre maximal de points de croisement des axes des fibres formant les diverses couches. Les croisement superposés présentent divers angles et les couches successives forment un réseau tridimensionnel. La description détaillée précédente concernant la production de la préforme porte sur un article tridimensionnel, façonné, tel que le casque d'infanterie bien connu. Cependant, il existe un besoin important en un matériau de cuirasse léger, sous forme de feuille. De telles feuilles peuvent être utilisées dans des véhicules, des navires ou sur des équipements portatif s afin de protéger les appareillages électroniques sophistiqués qui sont de plus en plus courants dans de telles applications. Une feuille plate de matériau peut être formée par les techniques d'enroulement de fibre décrites cidessus, les fibres étant appliquées sur un cylindre comme montré sur la figure 3. La fibre 20 revêtue de résine est enroulée sur un mandrin cylindrique 42 de façon que l'on obtienne un manchon 44 de fibres présentant un nombre important de points de croisement superposés. Lors de l'utilisation des techniques d'enroulement de fibres, les fibres qui sont enroulées sur le mandrin au cours d'une passe donnée sont espacées les unes des autres. Les couches successives remplissent les espaces et créent des points de croisement supplémentaires.Les fibres de chacune des couches successives forment des points de croisement superposés avec les fibres de plus d'une couche précédente donnant ainsi à la préforme enroulée un réseau tridimensionnel de points de croisement sous des angles différents. Après que les fibres ont été enroulées étroitement sur le mandrin, le manchon résultant peut être retiré de ce dernier en formant un mât cylindrique de matière fibreuse. Le cylindre fibreux peut soit être comprimé entre des plateaux plats afin de constituer une feuille plate, ou bien le cylindre peut être coupé longitudinalement et ouvert pour former une feuille plate plus grande La feuille est ensuite soumise à de la chaleur et une pression de façon à former une feuille consolidée de plaque de cuirasse. Il est évidemment possible de former la feuille entre des plateaux façonnés pendant le moulage de façon à obtenir des surfaces légèrement incurvées. Un tel formage ne doit pas modifier sensiblement l'orientation des fibres ni provoquer, par déplacement, un alignement étroit des faisceaux de fibres. Lorsque cela est possible, les fibres doivent être espacées de façon que la même couche ne contienne pas plusieurs fibres en alignement axial et rapprochées. La feuille plate résultant de la mise en oeuvre de l'invention permet d'obtenir une cuirasse légère qui peut être utilisée dans des applications mobiles, tout en apportant un degré de protection contre la pénétration de particules Des applications possibles comprennent la protection de véhicules basés à terre, de navires et d'appareillages électroniques il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au matériau de cuirasse décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un matériau de cuirasse capable de supporter un impact important avant de se rompre, caractérisé en ce qu'il consiste à enduire au moins une fibre monofilament 110) d'une résine thermodurcissable (lo) afin de former une fibre monofilament enduite (20), à appliquer cette fibre monofilament enduite sur un mandrin (24) pour former plusieurs couches, l'axe du filament de la deuxième couche et de chacune des couches successives posées sur le mandrin formant un angle avec l'axe du filament de la couche immédiatement précédente, le monofilament étant enroulé sur le mandrin suivant la configuration d'une préforme souhaitée (27), le procédé consistant également à placer la préforme dans un moule (32, 36) et à appliquer suffisamment de pression à cette préforme pour maintenir les fibres dans leur disposition spatiale et angulaire pendant la maturation de la résine jusqu a un état totalement durci. 2. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre monofilament est une fibre-de polyamide. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que des première et seconde fibres monofilaments formées de matieres différentes sont enduites de résine et sont appliquées sur le mandrin en formant des couches alternées de façon que l'on obtienne des couches successives alternées constituées de matières fibreuses différentes. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme est de configuration cylindrique et est fendue longitudinalement avant la maturation de façon que l'on obtienne une feuille et que la cuirasse résultante soit constituée d'une feuille. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résine est choisie dans le groupe comprenant des résines polyester, phénoliques ou d'esters de vinyle. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'enduction consiste à chauffer la fibre monofilament et à faire passer la fibre monofilament chauffée dans un lit de matière résineuse solide, la chaleur de la fibre ayant pour effet de faire attacher la résine à va fibre monofilament pour former une fibre enduite. 7. Matériau de cuirasse pouvant résister à des impacts importants, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une fibre monofilament (10) disposée dans ce matériau et formant des couches successives, les axes des fibres de couches adjacentes formant entre eux un certain angle de façon à constituer un grand nombre de points de croisement, une matière résineuse (14) entourant et consolidant les fibres en formant une structure tridimensionnelle, l'adhérence de la résine aux fibres étant inférieure à la résistance cohésive desdites fibres de façon que, lorsqu'une force est appliquée au matériau de cuirasse, une partie substantielle de la force de l'impact soit absorbée longitudinalement par les fibres. 8. Matériau de cuirasse selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fibre monofilament est en polyamide. 9. Matériau de cuirasse selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fibre de monofilament est en verre. 10. Matériau de cuirasse selon la revendication 7, caractérisé en ce que la matrice de résine est constituée d'une matière du type polyester thermodurcie. 11. Matériau de cuirasse selon la revendication 7, caractérisé en ce que des couches alternées de fibres monofilaments sont constituées de matières différentes. 12. Matériau selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites couches alternées sont constituées de polyamide et de fibres de verre. 13. Matériau de cuirasse selon la revendication 7, caractérisé en ce que la matière fibreuse constitue environ 50 à 80 % du volume du matériau total. 14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme est de configuration cylindrique et en ce que l'application de pression est effectuée entre des plateaux sensiblement plats afin de former une feuille de cuirasse. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à couper longitudinalement la préforme cylindrique et à ouvrir le cylindre avant l'application d'une pression pour former une préforme en feuille.