Brevet FR2591618A1 — publié le 19870619

RUBAN DE TISSU EN FIBRES DE CARBONE, ET PROCEDE POUR LE METTRE EN OEUVRE L'invention concerne un ruban de tissu en fibres de carbone, constitué de filsde chaîne et de fils de trame, pour la fabrication de couches de protection pour des pièces, ou pour la fabrication de pièces, qui sont soumises à un milieu présentant une température et une vitesse d'écoulement élevées, en par- ticulier pour la fabrication de revêtement de tuyères de moteurs-fusées à courte durée de combustion. L'in- vention concerne également un procédé de fabrication de. pièces, constituées totalement ou partiellement d'un ruban de tissu en fibres de carbone tel que défini ci- dessus et d'une matrice appropriée, en particulier sta- ble à la chaleur (par exemple résine phénolique), sur une forme négative (par exemple un noyau), ou par recou- vrement d'une forme positive (par exemple un corps sup- port). Au cours d'un parcours aérien ou spatial, se pose fréquemment le problème de la soumission simultanée des surfaces de l'objet à des températures élevées et à des vitesses d'écoulement élevées. Des exemples en sont les propulseurs de toutes sortes, mais également les engins spatiaux lors de leur rentrée dans l'atmosphère. Au cas o les contraintes thermiques et mécaniques liées à l'écoulement se prolongent sur une longue période, ou - 2 - bien apparaissent plusieurs fois à intervalles, la surface concernée de l'objet est réalisée et protégée de telle manière qu'elle ne subisse pas de détériorations, ou qu'elle subisse seulement des détériorations se pro- pageant très lentement. Par exemple, les tuyères pour moteurs-fusées à longue durée de combustion sont en règle générale refroidies par un fluide, et fabriquées en des matériaux, le plus souvent métalliques, à haut point de fusion. Si les contraintes ne durent que peu de temps, comme par exemple dans des tuyères de fusées à courte durée de combustion, on peut également prendre en considération une contrainte thermique et mécanique plus importante (par combustion et par érosion). Dans de tels cas, on peut avantageusement utiliser des ma- tières plastiques renforcées de fibres, en raison de leursrapportsrésistance/poids favorables, et en raison de la simplicité et du faible coût de leur fabrication. Une combinaison de matériaux habituelle pour celà jusque naguère était celle de résine phénolique et de fibres d'amiante; mais pour le futur, il ne faut plus utiliser d'amiante en raison de ses propriétés nocives pour la santé. Les fibres de carbone, entre autres, se sont ré- vélées des matériaux de remplacement utilisables, en raison de leursbonnes propriétés mécaniqueset thermiques. Si maintenant on fabrique par exemple un corps de tuyère en tissu de fibres de carbone et en résine phénolique, selon le procédé de dépôt sur une forme négative, de la façon habituelle pour d'autres pièces, de telle sorte que la couche de tissu se trouve parallèle à la surface de la forme négative (contour d'écoulement), il faut alors s'attendre, en cours de fonctionnement, à ce que, par suite des détériorations thermiques et des contrain- tes mécaniques, des couches entières de tissu se décol- lent et soient expulsées, ce qui peut conduire très ra- pidement à la destruction de la tuyère. - 3 - Par la demande DE-AS 12 03 646, on connaît une paroi de matière plastique étalée en couche, renforcée de fibres, pour des engins volants, des moteurs-fusées, etc., qui évite dans une large mesure de tels processus d'usure. Une bande de tissu et de fibres de verre, impré- gnée de résine, est alors enroulée en hélice sur une for- me négative, de telle sorte que les sections transver- sales de la bande se recouvrent à la manière des tuiles d'un toit, et forment un angle d'environ 20 avec la direction d'écoulement, les bords dirigés vers l'aval de la bande de tissu formant le contour d'écoulement. Certes, l'expulsion de couches entières de tissu est de ce fait empêchée de façon certaine, mais il peut se faire que des fils du tissu, encore disposés transversalement par rapport à l'écoulement, soient enlevés des bords de la bande de tissu formant le contour de l'écoulement; certes, l'usure progresse ainsi de façon plus lente, mais pourtant avec constance. L'objet de l'invention est donc de mettre au point une bande de tissu, ainsi qu'un procédé pour la mettre en oeuvre, en vue d'une augmentation nette et importante de la durée d'utilisation des pièces. Conformément à l'invention, cet objet est at- teint grâce à une bande de tissu en fibres de carbone, du type défini plus haut, caractérisée en ce que les fils de trame se présentent sous forme de fils simples en U, que leurs segments droits (les branches du U) sont disposés parallèlement les uns par rapport aux autres, et transversalement par rapport aux fils de chaîne dis- posés dans la direction de la longueur de la bande, que les extrémités libres des fils de trame sont toutes du même côté de la bande, et que les extrémités libres des fils de trame débordent de la partie tissée de la bande d'une longueur au moins égale à la largeur de celle-ci. Conformément à l'invention, l'objet cité ci- - 4 - dessus est également atteint grâce à un procédé du type défini plus haut, caractérisé en ce que la bande de tis- su en fibres de carbone est disposée, d'une façon connue en soi, pratiquement transversalement par rapport à la direction d'écoulement, de telle manière que les sec- tions transversales successives de bandes se succèdent dans la direction de l'écoulement en se recouvrant à la manière des tuiles d'un toit et en formant un angle aigu avec le contour d'écoulement, que les extrémités libres superposées des fils de trame, dans les sections trans- versales de bandes, sont orientées vers l'aval de l'écou- lement et forment, conjointement avec la matrice, le contour d'écoulement, avec recouvrement des fils de chaîne disposés à chaque fois vers l'aval de l'écoulement, et que, dans le cas de la fabrication sur une forme né- gative, il peut être nécessaire de réaliser un enrobage ultérieur à l'aide d'un matériau composite à fibres, très solide, en particulier du point de vue mécanique. Sous ce rapport, il faut faire ressortir que le procédé présentant les caractéristiques ci-dessus convient non seulement pour faire des enroulements sur des pièces à symétrie de révolution, mais encore pour la fabrication de pièces en forme de plaque par dispo- sition en série les unes à côté des autres de bandes de tissu isolées, par exemple pour la fabrication de segments de tuyères de réglage, de profils de guidage d'écoulement, ou d'écailles de boucliers thermiques. Une forme de réalisation préférée du procédé présentant les caractéristiques mentionnées ci-dessus est un procédé de fabrication d'un corps creux, à symé- trie pratiquement de révolution, présentant un contour intérieur d'écoulement, sur un noyau, en particulier pour la fabrication d'un corps de tuyère d'un moteur- fusée, procédé caractérisé en ce que le noyau présente un domaine principal pour la formation du contour d'écou- - 5- lement du corps creux, ainsi que, en prolongement du contour d'écoulement, un domaine d'entrée et un domaine de sortie, la longueur de ces deux derniers domaines dans la direction de l'écoulement correspondant chacune à peu près à la largeur totale de la bande de tissu en fibres de carbone (y compris les fils de trame qui dé- bordent), que le noyau, du domaine d'entrée au domaine de sortie (dans la direction de l'écoulement), est re- couvert de la bande de tissu en fibres de carbone qui forme une hélice, que l'on effectue, dans le domaine principal, un recouvrement ultérieur avec une structure d'enroulement très solide à base de fibres de carbone (tissu, roving, etc., de fibres de carbone), et qu'après le durcissement de la pièce (corps creux) et l'enlèvement du noyau, les enroulements de bandes de tissu dépassant le domaine principal (domaine d'entrée et domaine de sor- tie) sont éliminés. Un autre mode préféré de réalisation du procédé de la présente invention est un procédé présentant les caractéristiques mentionnées ci-dessus, pour le recouvre- ment d'une forme positive, en particulier pour le recou- vrement de structures métalliques de protection d'une tuyère de moteurfusée, procédé caractérisé en ce que la bande de tissu en fibres de carbone est déposée sur la forme positive (structure métallique de protection), hélicoldalement, dans la direction inverse de celle de l'écoulement. Dans ce qui suit, l'invention est illustrée plus en détail par les exemples de réalisation représen- tés sur les dessins annexés. La figure 1 représente une vue en plan d'un morceau de la bande de tissu conforme à l'invention en fibres de carbone. La figure 2 représente une vue en coupe, dans le sens de la longueur, à travers la moitié supérieure d'un corps creux à symétrie de révolution avec une forme négative (noyau). La figure 3 représente une vue en coupe, dans le sens de la longueur, à travers la partie tuyère d'un moteur-fusée à propergol solide. Comme on peut le voir sur la figure 1, les fils de trame 3 de la bande de tissu 1 en fibres de carbone, qui sont des fils isolés en forme de U, sont tissés trans- versalement dans les fils de chaîne 2 disposés dans la direction 4 de la longueur de la bande. On comprend ici que, selon le mode de tissage (en toile, en tissu croisé, ect.), les fils de trame 3, au point de croisement avec les fils de chaîne 2, se trouvent en dessus ou en des- sous des fils de chaîne, selon une armure fixe. Grâce aux extrémités libres, débordant largement, des fils de chaîne 3, la largeur 5 de la partie tissée de la bande est beaucoup plus petite que la largeur totale de la ban- de de tissu 1 en fibres de carbone. Pour les bandes de tissu conformes à l'état de la technique, il est par contre habituel de tisser avec les fils de chaîne un fil continu de trame, de façon à ce qu'il forme des méan- dres, la largeur de la partie tissée correspondant alors à la largeur de la bande. Sur la figure 2, on peut voir pourquoi la structure spéciale de la bande de tissu 1 en fibres de carbone influence de façon positive la résistance des pièces. Pour la fabrication d'un corps creux 12 à symé- trie de révolution, on revêt de la bande de tissu 1 en fibres de carbone, de façon à former une hélice, un noyau 8, depuis le domaine d'entrée 10 en passant par le domaine principal 9 jusqu'au domaine de sortie 11, dans la direction d'écoulement 6. Le côté extérieur du noyau 8, qui forme le contour d'écoulement 7, est alors recouvert d'un moyen de séparation, et la bande de tissu 1 en fibres de carbone est imprégnée, avant ou pendant 7- le dépôt, de la matrice (par exemple résine phénolique) non représentée. Le domaine d'entrée 10 sert à faire passer la disposition des sections transversales de la bande, parallèles au contour d'écoulement dans les pre- miers enroulements, à la disposition de biais désirée, imitant les tuiles d'un toit, dans le domaine principal 9. Le domaine de sortie 11 sert de support pour les fils de trame 3 débordants,non-nécessaires, des derniers en- roulements de la bande de tissu 1 en fibres de carbone. Dans le domaine principal 9, on peut nettement recon- naître que le contour d'écoulement 7, abstraction faite de la matrice, est exclusivement formé par les fils de chaîne 3 disposés suivant un angle aigu par rapport à lui. Les fils de trame 3 recouvrent les fils de chaîne 2 et les protègent contre les attaques thermiques et mécaniques dues à l'écoulement. En cours de fonctionne- ment, la matrice br le dans le domaine de la surface (contour de l'écoulement 7), mais ses résidus forment, conjointement avec les fils de trame 3 ancrés solidement dans les couches externes de la pièce, une couche bien résistante de protection pour le matériau contigu radia- lement vers l'extérieur, ce à quoi contribue également la disposition, favorable à l'écoulement, des fils de trame 3, disposés approximativement dans la direction 6 de l'écoulement. Afin d'augmenter encore la solidité de la pièce, on peut disposer dans le domaine principal 9, sur les spires de la bande de tissu 1 en fibres de car- bone, une structure d'enroulement 13, à résistance éle- vée, à base de fibres de carbone (tissu, roving, etc.). Après le durcissement du corps creux 12 et le retrait du noyau 8, on sépare du domaine principal 9 les enrou- lements dépassants de bandes de tissu, qui n'appartien- nent pas à la pièce, des domaines d'entrée et de sortie et 11. Pour des raisons de simplicité, on n'arErésen- té sur la figure 2 que la structure d'un corps creux -- 8 -- cylindrique de révolution, et le domaine principal 9 a été fortement raccourci sur cette représentation. Cette façon d'opérer convient en particulier cependant pour la fabrication d'un corps complet de tuyère de Laval, le noyau 8 devant alors être coupé dans la région du col de la tuyère (celle o la section trans- versale est la plus étroite) perpendiculairement à son axe, afin qu'on puisse le retirer de la pièce durcie. Il faut également faire remarquer que, suivant les exigences thermiques et mécaniques, on peut,'dans le domaine des fils de chaîne 2, incorporer des matériaux fibreux supplémentaires de renfort (roving, etc.) entre les enroulements de la bande de tissu 1 en fibres de carbone. Il faut alors seulement s'assurer de ce que ces matériaux fibreux de renfort, de même que les fils de chaîne 2, sont complètement recouverts par les fils de trame 3. La figure 3 présente une autre possibilité d'utilisation de la bande de tissu 1 en fibres de carbo- ne, à savoir pour le recouvrement de la structure métal- lique de protection 16 de la tuyère 15 d'un moteur-fusée 14 à propergol solide du type connu. Dans les propul- seurs conformes à l'état de la technique, la structure métallique de protection est fixée, dans le domaine du col de la tuyère, à l'aide d'un anneau épais de graphite, et dans les parties convergente et divergente est dé- posé un revêtement en fibres d'amiante et résine phéno- lique. D'après la figure 3, le revêtement 17 de la struc- ture métallique 16 de protection est constitué, dans les parties convergente et divergente de la tuyère 15, d'enroulement de la bande de tissu 1 en fibres de car- bone, disposée à la manière des tuiles d'un toit, d'une façon comparable à celle représentée sur la figure 2, le dépôt sur la structure métallique 16 de protection étant cependant effectué selon la forme d'une hélice, dans une direction inverse à celle de l'écoulement, et -9- la matrice collant la bande de tissu de façon indétacha- ble à la structure de protection (forme positive). Les autres caractéristiques de construction du moteur-fusée 14 à propergol solide, comme par exemple l'anneau 18 de graphite, la disposition du combustible 19, etc.,-sont - conservées sans modifications, de telle sorte que, en ce qui concerne la figure 3, on peut voir que l'invention réside en premier lieu dans le remplacement avantageux de l'amiante qui est un matériau nuisible pour la santé. Comme on l'a déjà mentionné dans l'introduction de la description, il existe encore de nombreuses autres pos- sibilités d'utilisation pour la bande de tissu conforme à l'invention et pour le procédé de mise en oeuvre s'y rapportant (écaille de bouclier thermique, segment de tuyère amovible, profil d'écoulement, etc.), la structu- re des pièces étant cependant toujours basée sur le même étagement, à la manière des tuiles d'un toit, des sec- tions transversales de la bande de tissu, avec les fils de trame disposés du côté de l'écoulement. 25916i8- - 10 - REVENDICATIONS 1. Ruban de tissu en fibres de carbone, cons- titué de fils de chaîne et de fils de trame, pour la fabrication de couches de protection pour des pièces, ou pour la fabrication de pièces, qui sont soumises à un milieu présentant une température et une vitesse d'écoulement élevées, en particulier pour la fabrication de revêtement de tuyères de moteurs-fusées à courte durée de combustion, caractérisé en ce que les fils de trame (3) se présentent sous forme de fils simples en U, que leurs segments droits (les branches du U) sont disposés parallèlement les uns par rapport aux autres, et transversalement par rapport aux fils de chaîne (2) disposés dans la direction (4) de la longueur de la ban- de, que les extrémités libres des fils de trame (3) sont toutes du même côté de la bande, et que les extrémités libres des fils de trame débordent de la partie tissée de la bande d'une longueur au moins égale à la largeur (5) de celle-ci. 2. Procédé de fabrication de pièces, consti- tuées totalement ou partiellement d'un ruban de tissu en fibres de carbone conforme à la revendication 1 et d'une matrice appropriée, en particulier stable à la chaleur (par exemple résine phénolique), sur une forme négative (par exemple un noyau), ou par recouvrement d'une forme positive (par exemple un corps support), procédé caractérisé en ce que la bande de tissu (1) en fibres de carbone est disposée, d'une façon connue en soi, pratiquement transversalement par rapport à la direction d'écoulement, de telle manière que les sec- tions transversales successives de bandes se succèdent dans la direction de l'écoulement en se recouvrant à la manière des tuiles d'un toit et en formant un angle aigu avec le contour d'écoulement, que les extrémités libres superposées des fils de trame (3), dans les sec- tions transversales de bandes, sont orientées vers 25916i8 - 11 - l'aval de l'écoulement et forment, conjointement avec la matrice, le contour d'écoulement, avec recouvrement des fils de chaîne (2) disposés à chaque fois vers l'aval de l'écoulement, et que, dans le cas de la fabri- cation sur une forme négative, il peut être nécessaire de réaliser un enrobage ultérieur à l'aide d'un matériau composite à fibres, très solide, en particulier du point de vue mécanique. 3. Procédé conforme à la revendication 2, pour la fabrication d'un corps creux, à symétrie prati- quement de révolution, présentant un contour intérieur d'écoulement, sur un noyau, en particulier pour la fa- brication d'un corps de tuyère d'un moteur-fusée, carac- térisé en ce que le noyau (8) présente un domaine prin- cipal (9) pour la formation du contour d'écoulement (7) du corps creux (12), ainsi que, en prolongement du contour d'écoulement (7), un domaine d'entrée (10) et un domaine de sortie (11), la longueur de ces deux der- niers domaines (10, 11) dans la direction de l'écoule- ment (6) correspondant chacune à peu près à la largeur totale de la bande de tissu (1) en fibres de carbone (y compris les fils de trame qui débordent), que le noyau (8), du domaine d'entrée (10) au domaine de sor- tie (11) (dans la direction de l'écoulement), est recou- vert de la bande de tissu (1) en fibres de carbone qui forme une hélice, que l'on effectue, dans le domaine principal (9), un recouvrement ultérieur avec une struc- ture d'enroulement (13) très solide à base de fibres de carbone (tissu, roving, etc., de fibres de carbone), et qu'après le durcissement de la pièce (corps creux 12), et l'enlèvement du noyau (8), les enroulements de bandes de tissu dépassant le domaine principal (9) (domaine d'entrée et domaine de sortie (10, 11)) sont éliminés. - 12 - 4. Procédé conforme à la revendication 2, pour le recouvrement d'une forme positive, en particu- lier pour le recouvrement de structures métalliques de protection d'une tuyère de moteur-fusée, procédé carac- térisé en ce que la bande de tissu (1) en fibres de carbone est déposée sur la forme positive (structure métallique (16) de protection), hélicoldalement, dans la direction inverse de celle de l'écoulement.