Brevet FR2570328A1 — publié le 19860321

La présente invention concerne des matériaux compo- sites à matrice en résine renforcée de fibres et piJs particulièrement des structures tubulaires en matériau com- posite. Les matériaux composites sont de plus en-plus utiii- sés dans des domaines dans lesquels une tolérance en ce qui concerne les dommages est exigée. C'est ainsi que sont tout particulièrement concernés, dans ies rotors d'hélicoptères, les pales et d'autres composants critiques qui, après avoir subi des dommages sévères, peuvent provoquer une défaiilance totale du système et l'écrasement au sol de l'aéronef. Il est bien connu qu'en entrelaçant un matériaux fibreux qui a jne plus grande élasticité ou capacité d'encaissement des contraintes dans le sens axial, dans i'un de ces articles en matériau composite que la tolérance à l'égard des dommages est accrue. Cependant ces fibres à résistance élevée à i'é- gard des contraintes axiaies ont un raideur pius faibie que les autres fibres à résistance à la traction' ievée. Par conséquent, lorsque ces fibres sont introduites dans des 2n articies en matériau composite, eiies réduisent la raideur de ces articles. Pour compenser la perte de raideur et con- server cependant la tolérance plus grande à l'égard des dommages qui est procurée par ces fibres à résistance axia- ie élevée, on pourrait augmenter la quantité de. couches de fibres raides dans l'articie en matériau composite. Cepen- dant ceci provoquerait une augmentation du poids ainsi que du coût de l'article, ces deux facteurs constituant des inconvénients importants dans l'industrie aéronautique. Lorsqu'on ajoute des couches additionneiies 4 une structure 0 tubulaire dont ia qéométrie externe est fixée, ces couches additionnelles sont ajoutées à l'intérieur. Chaque couche de ia structure en matériau composite'affecte la raideur gio- baie des composants en fonction du carré de ia distance par rapport à l'axe central ou axe neutre. De ce fait l'effet de 'adjonction de couches supplémentaires diminue rapidement avec chaque couche ajoutée, rendant ainsi plus compiexe ie prohibme rapport/poids. Jusqu'à présent i'introduction d'un pourcentage de fibres à résistance axiale éievée pouvant aiier jusqu'à 25F en poids dans un article en matériau composite, tel qu'un iongeron de pale de rotor d'hélicoptère, ne s'est pas révjél être trop néfaste. Cependant des pourcentages plus éleva2s ont exioé un accroissement du rapport entre l'épaisseur et la corde afin d'obtenir ia raideur en fiexion et en torsion nui ést exigée pour maintenir ia stabilité aéroélastique. L'accroissement du rapport entre-i'6paisseur et la corde et Il par conséquent de l'épaisseur du profil aérodynamique de ia paie a pour effet de répartir les couches formant le longe- ron à une plus grande distance de l'axe et par conséquent une telle mesure est piJs efficace sur la raideur en torsion et en flexion. Cependant l'inconvénient est que l'épaisseur accrue entraîne une augmentation de la traînée sur ia paie et compiique l'outillage et la fabrication lorsqu'une sec- tion effilée est utiiisée pour diminuer l'effet négatif de ia traînée. Par conséquent, puisqu'il est bien connu que même de 2q piJs grandes quantités de ces fibres provoquent un ac- croissement de la tolérance de ces structures à l'égard des dommages, un procédé de fabrication de ces structures avec la même raideur mais avec un accroissement des fibres à résistance axiaie élevée est requis.-- La présente invention concerne une structure en matériau composite à base de résine renforcée par des fibres ayant -ne pluralité de couche contenant h la fois des fibres de graphite et des fibres de polyamide aromatique. Les fibres sont orientées d'un angie allant d'environ -3no à =' environ +400 et d'environ +12 à environ +160 par rapport à i'axe iongitJdinal. Les orientations des fibres permettent l'introduc- tion d'un pourcentage plus iélevé de fibres en polyamide aromatique dans la structure, ce qui accroît sa tolérance à l'égard des dommages tout en maintenant la raideur en tor- sion et en flexion. De préférence le matériHu de ia matrice est consLi- tuéd par un pourcentage allant d'environ 4P pourcent envi- ron 6n pourcent en volume d'une résine époxy thermodurcis- sable. On décrira ci-après,? titre d'exempie non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référcnce aJ dessin annexé qui est une vue en plan avec arrachement partiei, d'un longeron en matériau composite suivant i'in- vention. Il Le longeron en matériau composite 1, comprenant une matrice en résine renforcée de fibres, est constituée de 17 couches de fibres de graphite et de poiyamide aromatique. Les couches de fibres de graphite sont orientées suivant des angles d'environ +350 ou d'environ +150 par rapport à l'axe !5 iongitudinal 20. L'orientation angulaire d'une couche parti- cuilbre dépend de ia fonction particulière que cette couche doit assumer dans la structure. Les couches ayant une orientation des fibres de +350 augmentent ia raideur en torsion de la totalité de la structure toutUen assurant une certaine raideur axiaie, tandis que les couches de fibres de graphite à orientation de +15 augmentent suffisamment ia raideur axiale pour permettre l'introduction d'une quan- tité accrue d'un matériau plus soupie axiaiement et en tor- sion, tel qu'un polyamide aromatique tout en maintenant cependant les mêmes propriétés physiques giobaies qu'un ionqeron en titane. Cependant cette quantité accrue de fi- hres de polyamide aromatique entraîne un accroissement dési- rabie de la tolérance du longeron à l'égard des dommages. Typiquement les couches de graphite sont formées n d'jn "roving" ou de fibres de qraphite. Ces fibres ont géné- raiement une résistance h ia traction aiiant d'environ 2557 T'Pa h environ 41.36MPa et elies peuvent avoir Jne section diroite comprise dans ia camme allant d'environ f,On635mm à environ 0,00762mm. Ce "rovinq" comprend typiquement environ 12 PfO fibres et il est idéal pour être utiiisé avec des machines d'envidage de filaments. Les fibres de qraphite préférées sont ceiles connues sous le nom de "CELIPN" qui sont vendues par ia Société Celanese Corporation et eiies peuvent être achetées h l'état non imprégné ou encore à i'état préimprégné avec la matrice en résipe. Il est préfé- rabie que la fibre ou ie "roving" soit préimprégné car ia structure résultante est plus uniforme du point de vue de ia répartition de ia résine. D'autres fibres de graphite con- ventionneiies qui peuvent être utilisées, sont ceiles con- nues sous les noms T-300, fabriquées par la Société Union Carbide Corporation, et AS-4 fabriquées par Hercules Cor- poration. Il Les couches de polyamide aromatique ont leurs fibres orientées à environ +14O par rapport à l'axe longitudinal car cette disposition procure une raideur axiale supérieure compatible avec le procédé de fabrication, tout en conser- vant la contribution des fibres à la tolérance du longeron à l'égard des dommages. Comme avec les fibres de graphite, les fibres de poiyamide aromatique qui peuvent être utilisées pour la mise en oeuvre de i'invention, sont constituées par n'importe quelles fibres de polyamide aromatique conven- tionneiles. Ces fibres peuvent se présenter sous la forme 21 d'un monofilament ou d'un roving, la forme préférée étant constituée par le roving. Typiquement ces rovings ont une résistance à la traction d'environ 36191Pa et ils peuvent être achetés soit imprégnés soit non imprégnés du matériau constituant la matrice en résine. Lb encore la forme préim- prognée est préférée. Le matériau préféré est une fibre de poiyamide aromatique fabriquée par Dupont Corporation, appelée "KEVLAR" et identifiée comme étant le Kevlar-49. Le matériau-constituant la matrice en résine qui est particJiièrement utile pour ia production de ces structures, 31 est constitué par des résines époxy teiie que la résine connue sous le nom E-7-K8 qui est vendue par U.S. Polyméric. Cependant un certain nombre de résines époxy peuvent être utioisées telles que ia résine époxy 5225. - Généraiement le longeron est formé autour -d'un man- drin amovible. Pour permettre de faciliter l'application et d'obtenir une structure finale plis uniforme ies rovings de graphièe et de polyamide aromatique sont préimprégnés au moyen de la résine avant d'être enrouis. Rien que la tech- nique d'enroulement soit celle qui est préférée, d'autre techniques peuvent être utilisées pour envelopper les fibres autour du mandrin. Chaque couche de fibres est formée en enroulant le fii imprégné autour du mandrin, suivant l'angle désiré, ce qui se traduit par une fibre ou un fil continu h travers la totaiité de la couche. L'orientation des fibres de chaque couche et la composition d'une couche donnée dé- pendent des propriétés physiques désirées dans l'article finai. L'épaisseur de chaque couche varie avec l'épaisseur lé du fii mais cependant ces couches ont habituellement une épaisseur d'environ 0,5mm. Le placement particulier d'une couche d'un type particuiier par rapport à une autre dépend des propriétés que l'on désire obtenir pour la structure. C'est il'orientation des fibres uniques des couches de fibres de graphite et des couches de fibres de polyamide aromatique qui permet aux structures en matériau composite d'avoir cet accroissement de la teneur en fibres de polya- mide aromatique ce qui provoque une augmentation de la tolérance de la structure à l'égard des dommages tout en maintenant des paramètres physiques prédéterminés tels que ia raideur globale, le poids et la géométrie. Dans des ar- ticles similaires d'autres combinaisons de nombres de cou- ches et de leurs positions dans l'articie peuvent être choi- sies afin d'atteindre ies résultats désirés. Cependant pour avoir la plus grande tolérance possible à l'égard des domma- ges il est désirable de rendre maximale ia teneur de la structure en fibres de poiyamide aromatique dans la direc- tion de ia contrainte principale. EXEMPLE On forme un longeron en matériau composite, consti- tué par une matrice en résine renforcée de fibres, pesant environ 436N, de la manière suivante: >5 Si on se réfère maintenant h ia figure du dessin, ie ionneron est formé par enroulement de couches de fibres en graphite et en matière connue sous le-nom de Kevlar, autour d'un mandrin 1n. Le longeron comprend 17 couches de fibres 2S70328 parmi iesquelies ies couches 1,4,7,10,13 et 17 sont consti- tuées de fibres de graphite connues sous le nom de "Ceiion", vendues par la Société Celanese Corporation New York, ces fibres étant imprégnées d'environ 25% en poids de résine époxy connue sous le nom E-7-K8 vendues par ia Société U.S. Poiymeric Corporation. L'orientation des fibres dans ces couches 30 est d'environ +350 par rapport à l'axe iongitu- dinai 20. Le même complexe de fibres de graphite et de ré- sine est utilisé pour former des couches 2,3 et 16, identi- fiées par la référence 40 sur le dessin, l'orientation des fibres de ces couches étant d'environ +150 par rapport à i'axe longitudinal 20. Les couches restantes 5,6,8,9,11,12,14 et 15, qui sont identifiées par la référence 50 sur le dessin, com- prennent des fibres de polyamide aromatique connues sous ie nom de Keviar et vendues par la Société Dupont sous le nom Keviar-49. Ces fibres sont également préimprégnées avec la même résine époxy et dans 'la même proportion que les fibres de graphite. Ces couches sont enroulées de telle façon que 2i l'angle de leurs fibres soit d'environ +14 par rapport à l'axe longitudinal 20 du longeron. Toutes les couches sont bobinées sur le mandrin en Jtiiisant une machine d'envidage de filament conventionnelle vendue par la Société McLeanAnderson, et elles ont une ?5 épaisseur d'environ 2,5mm si bien que le longeron résultant a une épaisseur totale d'environ 12,Smm. Le longeron non polymérisé est ensuite durci de la manière habituelle. La présente invention apporte une solution à ia construction d'articles en matériau composite qui doivent 3) présenter un degré éievé de tolérance à l'égard des dommages mais qui doivent être également raides et légers. Pour obte- nir la raideur en flexion et en torsion exigée, on utiise ces angles de fibres d'environ +350 et +150, les couches de fibres formant un angie + 350 étant utilisées d'une manière prédominante pour ia raideur en torsion tandis que les cou- ches de fibres formant un angie de +15 sont utilisées principalement pour ia raideur axiale ou en flexion. L'anale de +350 est choisi pour les couches assurant la raideur en torsion, à la place de i'angie plus courant de +45 parce que, bien qu'il en résulte une légère perte de raideur en torsion, cet angie permet de doubler pratiquement la raideur axiale pour cette couche, ce qui entraîne par conséquent une rédJction du nombre de couches à raideur axiaie élevée ( +15 ) requis. Ceci permet un accroissement correspondant du nombre de couches de fibres de polyamide aromatique à ré- sistance axiale élevée. La principale exigence structurelle d'une pale d'un rotor d'hélicoptère endommagée est qu'elle lé puisse encaisser la sollicitation résuitant de la force centrifuge s'exerçant sur la section externe de la pale. Pour cette raison les fibres de polyamide aromatique sont inclinées seulement à 140 (et non pas à 350), cet angie s'étant révèle être le plus efficace pour réagir à une sol- iicitation axiale. Du fait que l'on peut incorporer une quantité notablement plus importante de fibres de polyamide aromatique dans la structure, sans entraîner des consé- quences défavorables du point de vue poids, dimensions ou coût, ia pale obtenue suivant l'invention est plus sûre et 2q piJs fiable. 2S70328 REVENDICATIONS 1.- Structure en matériau composite à matrice en résine renforcée de fibres, adaptée plus particuiièrement pour être utilisée en tant que longeron pour une pale d'aé- ronef à voilure tournante, caractérisée en ce qu'eile com- prend une pluraiité de couches de fibres de graphite (30,40) et de fibres de polyamide aromatique (50) ies couches de fibres de graphite (30,40) étant orientées, par rapport à i'axe longitudinai(20) de la structure, suivant un angle allant d'environ +300 à environ +400 et d'environ +120 à environ +160, tandis que ies fibres de polyamide aromatique (50) sont orientées suivant un angle allant d'environ +12 à environ +160 par rapport à l'axe longitudinal (20), et la matrice est constituée par une résine thermodurcissable. 2.- Structure en matériau composite à matrice en résine renforcée de fibres, adaptée plus particulièrement pour être utilisée en tant que longeron pour une pale d'aé- ronef à voilure tournante, caractérisée en ce qu'elle com- prend une pluralité de couches alternées de fibres de gra- phite (30,40) et de fibres de poiyamide aromatique (50) enroulées autour d'un axe central, les couches de fibres de graphite (30,40) étant orientées, par rapport à l'axe lon- gitudinal(20) de la structure, suivant un angle allant d'environ +300 à environ +400 et d'environ +12 à environ 160, tandis que ies fibres de polyamide aromatique (50) sont orientées suivant un angle allant d'environ +12 à environ +16 par rapport à l'axe longitudinal (20), et la matrice est constituée par une résine thermodurcissable. 3.- Structure en matériau composite suivant l'une a3 queiconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend 17 couches de fibres de renforcement p rm ie squelles ies couches 1,&,7,10,13 et 17 comprennent dps fibres de graphite (3R) orientées suivant un angle d'en- viron 35 par rapport à l'axe longitudinal, les couches 2,3 et 16 comprennent des fibres de graphite (40) orientées suivant un angle d'environ +150 par rapport à l'axe iongitu- 25703D28 dinai et ies couches 5,6,8,9,11,12,14 et 15 comprennent des fibres de poiyamide aromatique (50).orientées suivant un angle d'environ +140 par rapport à l'axe longitudinal. 4. Structure en matériau composite suivant l'une queiconque des revendications précédentes caractérisée en ce que ie matériau de ia matrice est constitué par un pourcen- tage aliant d'environ 40 pourcent à environ 60 pourcent en volume d'une résine époxy thermodurcissable.