Brevet FR2570646A1 — publié le 19860328

Procédé de préparation de matériaux composites à éléments de renforcement orientés et produits obtenus La présente invention concerne un procédé de préparation de matériaux composites à éléments de renforcement orientés et les produits obtenus selon ledit procédé. Les matériaux composites sont des matériaux constitués d'éléments de renforcement (le plus souvent des fibres - ou fils - telles que fibres de verre, fibres de carbone, fibres de bore ou fibres de polyamide...) et d'une matrice (qui peut être constituée soit par une résine soit par un matériau résistant du type métal ou céramique). On sait que les propriétés de ces matériaux composites peuvent être isotropes ou anisotropes suivant l'orientation que l'on donne aux fibres, mais il est souvent difficile d'orienter convenablement et à volonté l'ensemble des fibres qui constituent les éléments de renforcement. Par ailleurs, on sait que les propriétés de ces matériaux dépendent également de la bonne distri- bution de la substance formant matrice dans les espaces ménagés entre les fibres et que l'on rencontre souvent des difficultés pour réali- ser ladite distribution. La présente invention vise à résoudre ces deux difficultés; l'invention est basée sur une constatation connue selon laquelle les fibres de carbone ont tendance à s'orienter perpendiculairement aux champs électrostatiques engendrés par la haute tension et parallèlement aux champs créés par des ondes haute fréquence de fortes puissances; il a été trouvé: - d'une part que l'application de ce principe d'orientation des fibres pouvait être intéressante pour la réalisation de matériaux composites, - d'autre part, que l'application dudit principe permettait d'améliorer la répartition de la matrice au sein des fibres orientées, - enfin, qu'en réalisant des opérations successives il était aisément possible de parvenir à la préparation de matériaux composites multicouches présentant des propriétés tout à fait remarquables. La présente invention concerne donc un procédé pour la prépa- ration de matériaux composites constitués de fibres de renforcement et d'une matrice caractérisée en ce que lesdites fibres sont imprégnées du matériau matrice ou d'un matériau précurseur de matrice alors qu'elles sont soumises à un champ d'orientation. Par fibres, on entend un matériau se présentant sous la forme d'une fibre ou d'un fil et plus généralement tout matériau utilisable pour le renforcement d'une matrice et présen- tant une dimension (longueur) importante vis-à-vis de sa ou ses dimensions transversales. Il est clair, en outre, que lesdites fibres doivent pouvoir être orientées par un champ d'orientation. Les fibres peuvent être notamment sous forme de fibres longues ou courtes et par exemple en matière plastique (éventuellement métallisée ou chargée), en carbone ou en métal. Ledit champ d'orientation peut être n'importe quel champ connu susceptible d'orienter une fibre convenable; on peut citer par exemple les champs haute fréquence, haute tension,magnétiques ou "laser". Bien entendu, le choix du champ d'orientation à utiliser dépendra de la nature des fibres. Comme fibres, on pourra notamment utiliser des fibres de carbone (orientables par les- champs électrostatiques haute tension par exemple), des fibres de verre ou des fibres organiques-telles que des fibres en polyamide (type Nylon ou Kevlar) quirendues conduc- trices par un dépôt en surface d'un métal convenable, deviennent orientables dans un champ magnétique ou électrostatique. Bien entendu, cette liste de fibres n'est nullement limitative. Le matériau matrice peut être n'importe lequel des matériaux matrices connus et utilisés. On peut utiliser des résines (résines époxy ou polyamide ou mélanges carbonés que l'on durcit) ou des mélanges siliceux susceptibles de former des céramiques. Comme connu, ces matrices (ou matériaux précurseurs de matrices) doivent se présenter sous une forme fluide de façon à emplir convenablement tous les intervalles entre les fibres. Lorsque l'imprégnation des fibres, par le matériau précurseur de matrice, aura été réalisée alors que lesdites fibres sont soumises au champ d'orientation, il est le plus souvent souhaitable d'obtenir un figeage du matériau intermédiaire obtenu puis on réalisera le matériau matrice proprement dit par un traitement approprié (polymérisation, céramisation...). Il a été constaté que le fait de réaliser l'imprégnation des fibres alors que celles-ci sont dans un champ d'orientation avait notamment comme conséquence de faciliter une imprégnation totale des fibres et d'éviter toute formation de cavités ou d'inclusions au sein du matériau. En application de ce qui précède, on pourra avantageuse- ment utiliser comme matrice un mélange de deux matériaux polymérisés dans des conditions différentes; ainsi, on pourra utilisercomme matriceun mélange de deux précurseurs de polymères, dont l'un pourra se polymériser par un moyen quelconque (initiation catalytique ou par radiation ou thermique), sans que le deuxième prépolymère soit transformé, de façon à donner un matériau intermédiaire malléable et faconnable à volonté (par matriçage, étirage, laminage...) et dont l'autre pourra se polymériser ultérieurement par un moyen quelconque de façon à durcir la pièce en forme. Un autre aspect de l'invention est que l'on réalise très facilement - et de façon industrielle - des matériaux composites constitués de plusieurs couches superposées, chaque couche ayant des fibres dont l'orientation a été convenablement choisie. Les exemples non limitatifs ci-après illustrent l'inven- tion; ces exemples sont illustrés sur les figures schématiques 1 à 12. Sur la fig. 1, on a représenté deux plaques en 1 et en 2 soumises à un champ haute tension continue (de l'ordre de 15 à 000 volts), polarisées selon les signes + et - fig. 1 et entre lesquelles se trouvent des fibres de carbone en 3. Ces fibres s'orientent perpendiculairement aux plaques 1 et 2 d'une manière monodirectionnelle et parfaitement homogène. Fig. 2, on voit le même processus mais les plaques sont concentriques en 4 sous forme d'un tube vu en coupe et en 5 sous forme d'un noyau également vu en coupe, ces plaques ou anodes étant polarisées (toujours en courant continu haute tension) selon les signes + et - fig. 2, et l'on s'aperçoit que les fibres occupent une position radiale en 6 à l'intérieur de ce tube. Fig. 3, est représenté le même processus qu'à fig. 1, mais avec des électrodes 7 et 8 divergentes, ce qui permet d'obtenir un réseau fibreux 9 évasé donnant une structure de compacité variable correspondant très bien à des structures industrielles telles que: fabrication de ressorts ou autres types de suspensions ou de lames (skis par exemple). Fig. 4, est représenté, entre deux plaques formant électrodes 10 et 11 soumises à un courant alternatif de fréquence éventuellement variable, un système montrant la position prise par des fibres de carbone ou de verre métallisées, par exemple. La position crée une structure anarchique permettant non plus de faire passer les efforts ou de supporter une poussée unidirectionnellement mais, à l'inverse, paradirectionnellement. Le matériau composite ainsi obtenu peut très bien, par exemple, servir de bouclier ou de pare-chocs devant subir des efforts en tous sens. Si, dans cette même fig. 4, la polarisation alternative des deux électrodes avait été remplacée par un champ haute fréquence, les fibres auraient pris une position parallèle aux électrodes. Fig. 5, est représenté en 13 un générateur magnétique en tore ouvert sur lequel est bobiné en 14 un enroulement permettant la création d'un champ magnétique entre les deux surfaces de l'anneau ouvert en 15 et 16. Une autre bobine en 17, alimentée par un courant variable Ml-M2, permet de faire varier le champ magnétique ou de le perturber à volonté. En 18, se trouve un réseau de fibres prenant la position perpendiculaire aux deux pôles de l'aimant. L'orienta- tion magnétique est particulièrement recommandée pour les fibres non conductrices métallisées. Bien entendu, cette métallisation devra être faite dans un métal de structure atomique magnétique. A titre d'exemple: nickel, fer, cobalt, etc. Fig. 6, est représenté un détail de pôles magnétiques dentés 18a et 19b, d'un même ensemble à flux opposés, permettant d'obtenir dans un même plan une ondulation des fibres selon 20, la totalité de. l'ensemble magnétique pouvant tourner, par exemple, dans le sens de la flèche 21, ce qui permet de torsader les fibres hélicoldalement. Maintenant que nous avons vu, à titre d'exemple et d'une manière non limitative, les différentes sources de champs permettant l'orientation des fibres, on peut voir, par exemple Fig. 7, une structure de fibres qui peuvent être orientées dans un sens selon X au sein d'une résine qui, dès qu'elle est polymérisée, est recouverte d'une autre structure de fibres à 90 par rapport à la première selon Y et qui, à son tour, est enduite de résine et polymérisée et durcie. Cette opération peut être répétée plusieurs fois et l'on obtient dans ce cas des structures complexes à deux dimensions, très résistantes, équivalentes, par exemple, à la structure d'une toile épaisse tout en étant beaucoup plus léeres,(environ 1/4 du poids en moins) et présentant toutes les qualités anticorrosion connues en ce qui concerne les matériaux composites. Fig. 8, est représentée, à titre d'exemple, une orientation de fibres en L. Ceci est obtenu par des masses polaires décalées à 90 , le tout s'appliquant aussi bien aux champs électromagnétiques qu'aux champs électrostatiques, ainsi qu'aux champs haute fréquence. Fig. 9, est schématisée une orientation permettant d'obtenir une structure ondulatoire des fibres créant un ensemble de fibres dans les trois plans X, Y, Z. Cette forme de structure dite "structure spatiale" permet une résistance mécanique du matériau obtenu dans les trois axes spatiaux et trouve son application dans de nombreuses technologies d'avant-garde telles que: l'aéronautique et l'industrie spatiale. Ces matériaux 3D sont indéformables et présentent une très grande résistance thermique dans le cas o la matrice est du type "céramique". Fig. 10, est représenté un toron de fibres en 22 obtenu par champs tournants selon X enrobant des fibres préalablement orientées monodirectionnellement selon Y. Cet ensemble de fibres stratifiées au sein d'une résine donne des barres de très grande rigidité et présente également un grand coefficient de flexibilité selon X, ce qui permet, à titre d'exemple, la création d'une barre de torsion très utilisée dans divers types de suspensions ou de transmissions. Ces champs tournants permettant d'obtenir des torons de fibres sont représentés fig. 11 avec deux masses polaires 23 et 24 tournant selon les flèches en décrivant une rotation y à l'intérieur d'un cylindre qui, lui, n'est pas soumis aux champs magnétiques ou électrostatiques. Pour terminer, on a représenté en fig. 12 un matériau composite complexe de très grande rigidité pouvant, par exemples être fait bien sûr à base de fibres comme structure mais ayant une matrice aussi bien en fibres qu'en céramique. Ce composite est formé de quatre couches: - en 25, une couche monodirectionnelle parallèle selon Y, - en 26, une couche monodirectionnelle perpendiculaire selon X, - en 27, une couche verticale selon Z, - en-28, une couche anarchique, comme nous l'avons déjà vu fig. 4. Les fibres employées peuvent être aussi bien des fibres courtes que des fibres longues ayant la longueur des objets à former, la résistance de ces dernières à la compression et à la flexion étant plus grande. Ces couches sont créées alternativement et polymérisées également alternativement et donnent un sandwich de totale résistance dans les trois axes. 25.70646 REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de matériaux composites formés d'une matrice et d'éléments de renforcement en forme de fibres, caractérisé en ce que lesdites fibres sont imprégnées d'un matériau précurseur dudit matériau matrice alors qu'elles sont soumises à un champ d'orientation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau précurseur de matrice est composé d'un mélange de deux précurseurs que l'on polymérise successivement dans des conditions différentes après mise en forme du matériau intermédiaire obtenu après la polymérisation de l'un des précurseurs. 3. Matériau composite simple ou complexe caractérisé en ce qu'il est obtenu selon l'une des revendications 1 et 2.