Brevet FR2573026A1 — publié le 19860516

MATERIAU DE FLOTTEUR RESISTANT A LA PRESSION Cette invention concerne un matériau de flotteur résis- tant à la pression, destiné à être utilisé principalement sous une grande profondeur d'eau (on dira ci-après "en eau profonde"). Au cours des dernières années, les efforts se sont poursuivis pour la mise au point de techniques permettant de faire descendre divers instruments d'observation à de grandes profondeurs sous la mer, de les faire fonctionner sous l'eau, et de les faire ensuite remonter à la surface. De telles techniques sont requises pour les explorations en eau profon- de qui sont conduites par des sous-marins à des fins économi- ques et académiques. L'utilisation de tels instruments de la manière décrite ci-dessus nécessite un matériau de flotteur résistant à la pression, ayant une faible densité et une résistance mécanique assez grande pour résister aux sévères conditions de travail qui existent en eau profonde. On a déjà utilisé comme matériaux de flotteurs résis- tant à la pression, capables de donner une grande flottabilité en eau profondeur, des sphères creuses en matière plastique, des sphères creuses en verre, des compositions de mousse syntactique, etc. L'utilisation de sphères creuses faites d'un matériau métallique est concevable. Mais ces sphères creuses ne con- viennent pas comme matériau de flotteur car elles ont une grande densité et une faible flottabilité. Parmi les matériaux de flotteurs formes par des sphères creuses de matière plastique qui sont disponibles dans le commerce, on trouve un produit qui est effectivement utili- sable sous l'eau à des profondeurs atteignant jusqu'à 1500 m (ce produit est fabriqué par Ube Resin Processing Co. Ltd et est commercialisé sous la marque de fabrique "Cycolac Flote"). Cette sphère creuse de matière plastique est faite d'une résine ABS (résistance à la compression: 480daN/cm2) qui mesure 360 mm de diamètre, pèse 10 kg et a une densité de 0,41. -2- Parmi les matériaux de flotteurs formés par des sphères creuses en verre qui sont disponibles dans le commerce, on trouve un produit de Benthos Inc. aux Etats-Unis, qui mesure 430 mm de diamètre, pèse 17,7 kg et a une densité de 0,42 et qui permet de travailler sous une profondeur d'eau de 6000 mètres. L'inconvénient le plus grave dont souffrent toutes les sphères creuses en verre réside dans le fait qu'elles sont vulnérables aux chocs. Afin d'améliorer les sphères creuses en verre en élimi- nant ce grave inconvénient, l'inventeur a déjà mis au point un matériau de flotteur résistant à la pression qui est formé de sphères creuses en céramique, et un matériau de flotteur résistant à la pression qui est formé de sphères creuses en verre et d'une composition de mousse syntactique (demande de brevet japonais SHO 58(1983)-204729). La sphère creuse en céramique qui fait l'objet de l'in- vention que l'on vient de mentionner est utilisable effecti- vement comme matériau de flotteur sous une profondeur d'eau plus grande que la sphère creuse en matière plastique et la sphère creuse en verre classiques. Ces sphères creuses, du fait de leur forme particulière, nécessitent invariablement des dispositifs spéciaux pour être fixes efficacement à des sous-marins, qui n'ont que des con- tours compliqués pouvant être mis en contact avec les sphères. A titre de matériau de flotteur commode pour un sous- marin, par conséquent, une mousse syntactique qui est formée de microsphères creuses de verre et d'une résine de polyester ou d'une résine époxy a été jugée acceptable. Des procédés de fabrication d'une telle mousse syntactique sont décrits dans la publication de brevet japonais SHO 49(1974)-58162, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 477 967, et dans la publication du brevet japonais SHO 57(1982)-28142, par exemple. On obtient cette mousse syntactique en versant une matière première, qui est un mélange de microsphères creuses de verre et d'une résine thermodurcissable, dans un moule, et laissant ce mélange durcir. On peut ainsi obtenir la mousse syntactique sous des formes diverses épousant - 3 - exactement la cavité d'un moule donné. Son emploi se révèle donc avantageux avec un sous-marin qui nécessite un matériau de flotteur de forme compliquée, comme mentionné ci-dessus. Les propriétés de la mousse syntactique la plus récente, publiées dans le rapport de recherche JAMSTRCTR 12 (1984), de l'Ocean Science Technology Center, sont indiquées dans le tableau suivant. Type haute Type faible résistance densité Densité 0,561 0,545 Résistance à la compression 920 867 daN /cm2) Résistance à l'écrasement 1276 1238 daN /cm2) Pour qu'une mousse syntactique quelconque résiste à une utilisation sous une profondeur d'eau de 6000 mètres, il faut que la résistance à la compression et la résistance à l'écra- sement soient respectivement d'environ 900 daN/cm2 et 1240 daN/cm2, le facteur de sécurité étant calculé égal à 2. Le type haute résistance qui est indiqué dans le tableau répond à cette condition. La densité la plus élevée obtenue par la technique du type existant est de 0,56 environ. A l'heure actuelle, les explorations océaniques doivent être conduites à des profondeurs de plus en plus grandes. Pour satisfaire les conditions requises, il est nécessaire de mettre au point un matériau de flotteur, spécifiquement une mousse syntactique, possédant une densité plus faible et une plus grande résistance mécanique. A cette fin, on considère qu'il est nécessaire: 1. d'utiliser des microsphères en verre ayant une densité plus faible et une plus grande résistance mécanique, 2. d'améliorer le facteur de tassement (rapport entre la masse volumique apparente et la masse volumique réelle des parti- cules) des microsphères creuses en verre, et 3. d'utiliser une résine de grande résistance mécanique. -4 - Afin d'améliorer la résistance mécanique des spheres creuses en verre, il est nécessaire d'utiliser un verre de grande rigidité, ce qui est incompatible avec l'objectif de réduction de la densité. On peut augmenter le facteur de tassement de microsphères creuses en verre en combinant des sphères de diamètres différents, mais il existe une limite au degré de compacité qui peut être obtenu. Quand on adopte le produit de la société 3M Corp. commercialisé sous la marque "Glass Bubble F29x", et que l'on mélange des qualités 100 micromètres et 30 micromètres de ce produit dans un rapport de 60 à 40 (si bien que la densité moyenne des micro- sphères creuses en verre est de 0,28 environ), par exemple, le facteur de tassement est égal à 73 %. Lorsque l'on comble les espaces vides qui séparent les microsphères creuses adjacentes avec une résine de densité égale à 1,2, la mousse syntactique obtenue a une densité globale de 0,528. Si l'on abaisse la densité de cette résine pour diminuer la densité globale de la mousse syntactique, la mousse syntactique elle- même voit sa résistance mécanique abaissée dans la même proportion. Lorsque l'on abaisse la densité des microsphères creuses et celle de la résine utilisée dans la mousse syntac- tique, la mousse syntactique obtenue voit sa résistance mécanique abaissée en conséquence. Il n'est pas possible d'obtenir la diminution voulue de la densité sans sacrifier la résistance mécanique de la mousse syntactique. L'inventeur a poursuivi ses recherches en vue de mettre au point un matériau de flotteur à performances améliorées, et à la suite de ses recherches il a mis au point le nouveau matériau sus-mentionné de flotteur résistant à la pression, qui est formé de microsphères creuses en céramique et d'une mousse syntactique. Une demande de brevet pour ce matériau de flotteur a été déposée au Japon sous le n SHO 58(1983)- 204729. Comparé à la mousse syntactique classique, ce matériau de flotteur permet une nouvelle réduction de la densité et une nouvelle augmentation de la résistance mécanique, et convient à l'utilisation en eau profonde. Lorsque les sphères creuses en céramique et la mousse syntactique sont combinées en contact mutuel intime, le rapport de la réduction de - 5 volume sous une pression appliquée n'est pas le même pour les deux constituants du matériau de flotteur car le rapport d'élasticité volumique n'est pas le même pour les deux. La pression ainsi appliquée est par conséquent susceptible de compromettre la répartition uniforme des contraintes et d'abais- ser la résistance mécanique totale du matériau de flotteur. La présente invention se caractérise en ce qu'un espace vide est ménagé entre la mousse syntactique et les sphères creuses en céramique, ce qui supprime l'inconvénient dont souffrent les matériaux de flotteurs classiques qui sont formés des mêmes deux constituants. Le matériau de flotteur résistant à la pression selon la présente invention comprend des sphères creuses résistant à la pression et une mousse syntactique, un espace vide de communication étant interposé entre les sphères creuses résistant à la pression et la mousse syntactique. Dans une forme de réalisation type de la présente inven- tion, la mousse syntactique contient un espace vide communi- quant avec l'extérieur de la mousse et servant à maintenir les sphères creuses résistant à la pression dans un état librement mobile. Ainsi, les sphères creuses résistant à la pression jouissent d'une liberté de mouvement à l'intérieur de l'espace vide. Un objectif de cette invention est de fournir un maté- riau de flotteur qui se compose d'une mousse syntactique et de sphères creuses résistant à la pression et qui fait preuve d'une résistance remarquable à la pression sans pour autant souffir d'une perte de résistance mécanique même en eau profonde. D'autres objectifs et caractéristiques de cette inven- tion seront évidents pour l'homme du métier à la lecture de la description qui va suivre d'une forme de réalisation pré- férée de l'invention, illustrée sur les dessins ci-joints, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe représentant un maté- riau de flotteur selon cette invention; - 6- la figure 2 est une vue en coupe représentant un maté- riau de flotteur qui sera décrit plus loin dans une expérience comparative. On va maintenant décrire ci-dessous le matériau de flot- teur selon la présente invention en se référant aux dessins ci-joints. La figure 1 représente un matériau de flotteur résistant à la pression type selon cette invention, et la figure 2 représente un matériau de flotteur résistant à la pression que l'on a fabriqué à des fins de comparaison en omettant de ménager un espace libre entre la mousse syntacti- que et les sphères creuses résistant à la pression. Sur les dessins, le repère numérique 1 désigne une sphère creuse résistant à la pression, le repère numérique 2 désigne une mousse syntactique, le repère numérique 3 désigne un espace vide interposé entre la mousse syntactique 2 et la sphère creuse résistant à la pression 1, le repère numérique 4 dési- gne un chemin de communication de l'espace vide avec l'exté- rieur du matériau de flotteur résistant à la pression, le repère numérique 5 désigne un joint entre les pièces adjacentes de mousse syntactique, et le repère numérique 6 désigne un adhésif appliqué entre la sphère creuse résistant à la pres- sion et la mousse syntactique. La différence entre le matériau de flotteur selon la présente invention qui est représenté sur la figure 1 et le matériau de flotteur servant de comparaison qui est représenté sur la figure 2, réside dans le fait que l'espace vide qui apparaît sur la figure 1 est absent sur la figure 2, et que la sphère creuse résistant à la pression de la figure 2 est assujettie à la mousse syntactique par l'intermédiaire de l'adhésif. On va maintenir décrire ci-dessous un procédé type de fabrication du matériau de flotteur selon la présente inven- tion. On commence par fabriquer des sphères creuses résistant à la pression. On coule ensuite la matière première de fabri- cation de la mousse syntactique dans une coquille de moulage dans laquelle est disposé le nombre requis d'hémisphères de diamètre légèrement supérieur au diamètre extérieur des sphères résistant à la pression. On fait ensuite durcir la -7- matière première dans la coquille de moulage, par application de chaleur. Après le durcissement par chauffage, on retire la coquille de moulage pour obtenir une pièce de mousse syntac- tique contenant des cavités hémisphériques. On fabrique une nouvelle pièce de mousse syntactique ayant exactement la même forme en répétant le processus. On réunit l'une à l'autre les deux pièces de mousse syntactique ainsi obtenues, comme repré- senté sur la figure 1, chacune des sphères creuses résistant à la pression étant placée dans l'une des cavités. Enfin, on forme, par usinage mécanique, des chemins de communication entre l'espace vide et l'extérieur. Dans le matériau de flotteur selon la présente inven- tion, la mousse syntactique et les sphères creuses ne sont pas réunies entre elles mais sont séparées l'une des autres par un espace vide intermédiaire,-les sphères creuses sont maintenues dans un état librement mobile, et l'espace vide peut communiquer avec l'extérieur. Par conséquent, lorsque l'on immerge dans l'eau le matériau de flotteur, la pression du milieu environnant, de l'eau de mer par exemple, peut gagner l'espace vide. Ainsi, le matériau de flotteur ne souffre d'aucune perte de résistance mécanique même lorsqu'il est exposé à l'application répétée d'une pression externe. Il convient que les sphères creuses résistant à la pression soient faites d'un matériau céramique ayant un module de volume au moins égal à 9 x 103 daN/mm. Il convient que les sphères creuses aient un diamètre qui ne soit pas inférieur à 20 mm et une densité de 0,2 à 0,5. On peut éventuellement utiliser, à la place des sphères creuses, des cylindres creux ayant sensiblement les mêmes caractéristiques. La raison du choix de la grandeur spécifique du module de volume mentionné ci-dessus est que la diminution de flottabilité sous pression est amoindrie par abaissement de la contraction volumique. Pour la commodité de la fabrication, il convient que le diamètre ne soit pas inférieur à 20 mm et que la den- sité ne soit pas inférieure à 0,2. Si la densité est supé- rieure à 0,5, la flottabilité est abaissée et l'objectif d'abaissement de la densité n'est pas atteint. En ce qui con- cerne la nature du matériau céramique, l'emploi d'un matériau - 8 céramique du type alumine ou du type oxyde de zirconium se révèle avantageux dans la présente invention. La mousse syntactique faisant partie du matériau de flotteur selon cette invention peut être obtenue par l'un quelconque des procédés connus dans la technique, tels que, par exemple, le procédé de mélangeage sous vide ou le procédé d'imprégnation sous vide, qui permettent de combiner des microsphères creu- ses en verre et une résine de polyester insaturée ou une résine époxy. Dans la cavité de la mousse syntactique, il faut que la sphère creuse résistant à la pression occupe de 99,7 % à % du volume de la cavité. En d'autres termes, la différence entre le volume de la cavité dans la mousse syntactique et celui de la sphère creuse résistant à la pression, c'est-à-dire 0,3 % à 5 % du volume de la cavité, représente l'espace vide permettant l'entrée du milieu de pression externe. Si cet espace vide représente moins de 0,3 %, la pression appliquée au matériau de flotteur fait que la mousse syntactique adhère étroitement à la sphère creuse résistant à la pression car le degré de contraction de la mousse syntactique est plus grand que celui de la sphère creuse résistant à la pression. Par ailleurs, la mousse syntactique résiste aux fissures sous une pression plus grande. Mais si cet espace vide représente plus de 5 %, l'inconvénient est que la flottabilité n'est plus suffisante. Des compositions types de la mousse-syntactique dont l'emploi est avantageux dans cette invention sont représentées ci-dessous. 1. (1) Microsphères creuses en verre (densité de 0,32)(pro- - duit de 3M Corp., désignation commerciale "Glass bubbles, D 32/4500") 32 % en poids (2) Résine de polyester insaturé (produit de Nippon Shokubai Kagaku Kogyo Co., Ltd, désignation commercia- le "Epolac G82") 67 % en poids (3) Agent de durcissement (produit de Nippon Oils & Fats Co., Ltd, désignation commerciale "Permec N") 0,5 % en poids - 9 - (4) Promoteur de durcissement (produit de Japan Chemical Industry Co., Ltd., désignation commerciale "Naphtex Cobalt" (6 % de CO) 0,5 % en poids Densité de la mousse syntactique durcie: 0,62 g/cm3 Résistance à l'écrasement de la mousse syntactique durcie: 1250 daN/cm2 2. (1) Microsphères creuses en verre (densité 0,28)(produit de 3M Corp., désignation commerciale "Glass Bubbles, F29x") 35 % en poids (2) Résine de polyester insaturé (produit de Nippon Shokubai Kagaku Kogyo Co., Ltd., désignation commer- ciale "Epolac RF1001") 53 % en poids (3) Agent anti-retrait pour résine de polyester insaturé (produit de Nippon Shokubai Kogyo Co., Ltd., désigna- tion commerciale "Epolac AT100") 10,0 % en poids (4) Silane servant d'agent de combinaison (produit de Nippon Unicar Co., Ltd., désignation commerciale "Silicone A174") 1,0 % en poids (5) Agent de durcissement (produit de Nippon Oils & Fats Co., Ltd., désignation commerciale "Permec N") 0,4 % en poids (6) Promoteur de durcissement (produit de Japan Chemical Industry Co., Ltd., désignation commerciale "Naphtex Cobalt" (6 % de CO)) 0,6 % en poids Poids spécifique de la mousse syntactique durcie: 0,54 g/cm3 Résistance à l'écrasement de la mousse syntactique durcie 1260 daN/cm2. Le matériau de fabrication des sphères creuses n'est pas limité aux céramiques. Il a été confirmé que, même lors- que les sphères creuses sont faites d'un verre possédant une résistance suffisante à la pression, il était possible d'éviter la dégradation de la résistance mécanique due à la différence entre les rapports d'élasticité volumique des sphères et de la mousse syntactique, qui sinon serait inévi- table, en ménageant l'espace vide entre les deux constituants. L'invention va maintenant être décrite plus spécifique- ment ci-dessous avec référence à un exemple d'application et à une expérience comparative. - 10 - EXEMPLE On a fabriqué des sphères creuses résistant à la pres- sion, ayant un diamètre extérieur de 96 mm, un poids de 171 g, et une densité de 0,37, avec une céramique d'alumine ayant une teneur en alumine de 84 % (les propriétés physiques de la céramique d'alumine, déterminées sur des éprouvettes, étaient une résistance à la compression de 210 del/mm2, un module de volume de 2,2 x 104 d&N/mm, un coefficient de Poisson de 0,19, et une densité réelle de 3,22). On a obtenu chacune des sphères en formant deux hémisphères par la méthode classique de dressage au tour, en frittant les hémisphères ainsi formées, en laissant se refroidir les hémisphères frit- tées, en rodant les bords des hémisphères, et en réunissant les hémisphères. On a obtenu une mousse syntactique par mélangeage sous vide de (1) 32 % en poids de microsphères creuses en verre ayant une densité de 0,32 (produit de 3M Corp., désignation commerciale "Glass Bubbles, grade D32/4500"), (2) 67 % en poids d'une résine de polyester insaturé (produit de Nippcon Shokubai Kagaku Kogyo Co., désignation commerciale "Epolac G- 82"), (3) 0,5 % en poids d'un agent de durcissement (produit de Nippon Oils à Fats Co., désignation commerciale "Permec N"), et (4) 0,5 % en poids d'un promoteur de durcissement (produit de Japan Chemical Industry Co., Ltd., désignation commerciale "NaphteX Cobalt" (6 % de CO)). La coquille de moulage de la mousse syntactique était un bloc de dimensions 110 mm x 60 mm x 505 mm, formé avec cinq hémisphères de 97 mm régulièrement espacées. On a coulé dans cette coquille de moulage la matière première sus- mentionnée de fabrication de mousse syntactique, après l'avoir fait fondre par chauffage, puis on l'a fait durcir. On a ainsi obtenu une mousse syntactique comportant des cavités semi-sphériques pouvant recevoir des sphères creuses. On a fini cette mousse syntactique à des dimensions apparentes de 100 mm x 50 mm x 500 mm en coupant les bords inégaux. On a obtenu une autre-mousse syntactique ayant exactement la même forme en répétant le processus décrit ci-dessus. On a réuni les deux pièces de mousse syntactique aux endroits indiqués par le repère numérique 5 sur le dessin, chacune des sphères creuses résistant à la pression en céramique d'alumine sus- mentionnées étant placée dans l'une des cavités sphériques. Comme le montre la figure 1, ces sphères étaient formées par des "semisphères". Par conséquent, un espace vide 3 a été ménagé entre les sphères creuses résistant à la pression et la mousse syntactique. On a obtenu un matériau de flotteur selon cette invention en formant des chemins de communication entre l'espace vide et l'extérieur. La densité globale de ce matériau de flotteur était de 0,500, et la densité appa- rente, compte tenu de l'espace vide de ce matériau de flot- teur, était de 0,493. On a placé ce matériau de flotteur dans un réservoir contenant de l'eau à haute pression et on augmenté progressi- vement la pression d'eau appliquée sur le matériau de flotteur pour mettre à l'épreuve sa résistance à l'écrasement. La mousse syntactique de ce matériau s'est écrasée lorsque la pression de l'eau s'est élevée à 1350 daN/cm2. Mais, sous cette pression, les sphères creuses résistant à la pression en céramique d'alumine sont restées intactes. Quand on a fait subir un autre matériau de flotteur, obtenu pan le même pro- cédé, à un essai de cycle de pression consistant tour à tour à exposer le matériau à une pression atteignant jusqu'à 600 daN /cm2, et à relâcher complètement la pression, aucun phénomène anormal ne s'est manifesté dans le matériau, même après 2500 cycles. EXPERIENCE COMPARATIVE On a fabriqué des sphères creuses résistant à la pres- sion en céramique d'alumine et une mousse syntactique en répétant fidèlement le procédé de l'exemple ci-dessus. On a fabriqué trois matériaux de flotteurs en utilisant des sphères creuses et les pièces de mousse syntactique, un agent adhésif occupant les espaces libres entre les sphères- creuses résis- tant à la pression et la mousse syntactique, comme le montre la figure 2. De la même manière que dans l'exemple ci-dessus, on a soumis à des essais de résistance à l'écrasement les trois - 12 - matériaux de flotteurs. Dans chacun de ces matériaux de flot- teurs, les sphères creuses de céramique d'alumine s'écrasaient sous une pression de 200 daN/cm2. On a fait subir à toutes les sphères creuses de cérami- que d'alumine résistant à la pression, avant de les incorporer aux matériaux de flotteurs, un essai consistant en cinq appli- cations successives d'une pression de 800 daN/cm2. Aucune d'elles ne s'est écrasée. Ainsi, la différence entre le maté- riau de l'exemple et celui de l'expérience comparative était très net. Etant donné que des chemins de communication ont été incorporés au matériau de flotteur selon l'invention pour permettre aux espaces vides séparant les sphères creuses de céramique d'alumine résistant à la pression et la mousse syntactique de communiquer avec l'extérieur de ce matériau, il bénéficie d'une amélioration notable de sa résistance à l'écrasement, malgré une diminution très importante de la densité de la mousse syntactique à 0,50, valeur qui est même inférieure à la limite inférieure de 0,54 imposée à la mousse syntactique classique. Ainsi, la présente invention permet de produire un matériau de flotteur ayant une densité plus faible et une plus grande résistance mécanique que le matériau de flotteur classique. Ainsi, il devrait permettre la construction d'un véhicule sous-marin permettant de descendre à des profondeurs plus grandes. Bien que les sphères creuses résistant à la pression qui sont utilisées dans l'exemple d'application et dans l'expérience comparative décrite cidessus soient faites d'une céramique d'alumine, cette invention est applicable à des sphères creuses résistant à la pression qui sont faites d'un autre matériau. - 13 - REVENDICATIONS 1. Matériau de flotteur résistant à la pression compo- sé d'éléments creux résistant à la pression (1) et d'une mousse syntactique (2), caractérisé en ce qu'un espace vide (3) est ménagé entre lesdits éléments creux résistant à la pression et ladite mousse syntactique et peut communiquer avec l'exté- rieur dudit matériau de flotteur. 2. Matériau de flotteur résistant à la pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments creux résistant à la pression sont maintenus dans un état librement mobile à l'intérieur dudit espace vide (3) qui communique avec l'extérieur dudit matériau de flotteur. 3. Matériau de flotteur résistant à la pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments creux résistant à la pression (1) sont faits d'un matériau céramique et possèdent- un module de volume au moins égal à 9 x 103 daN/mm. 4. Matériau de flotteur résistant à la pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits éléments creux (1) qui sont faits d'un matériau céramique ont un dia- mètre au moins égal à 20 mm et une densité située dans l'in- tervalle de 0,2 à 0,5. 5. Matériau de flotteur résistant à la pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau céramique est une céramique d'alumine ou une céramique d'oxyde de zirconium.