Brevet FR2605928A1 — publié le 19880506

MATRICE POUR MATERIAU COMPOSITE, SON PROCEDE DE FABRICATION, ET MATERIAU COMPOSITE COMPORTANT UNE TELLE MATRICE. L'invention concerne une matrice pour matériau composite et son procédé de fabrication. Elle concerne également tout matériau composite comportant une telle matrice. Les matériaux composites se divisent en deux grandes catégories. La première regroupe les matériaux composites dits "monolithiques" obtenus par la mise en oeuvre d'une matrice obtenue à partir de différents types de polyester, époxy, phénolyuréthane entre autres, cette matrice étant elle-même renforcée par un matériau de renfort tel que notamment du tissu, des fibres de verre, du carbone, des aramides... Ces matériaux sont mis en oeuvre par couches successives ou par plis. La seconde regroupe les matériaux composites dits "sandwichs" dans lesquels généralement une âme cellulaire est recouverte sur ses deux faces d'une ou plusieurs couches d'un matériau qui peut être lui-même un matériau composite monolithique tel que décrit cidessus. Tous ces matériaux sont caractérisés par un certain nombre de propriétés physiques et mécaniques liées à leur structure parmi lesquelles on peut citer la dureté, la rigidité, la résistance à la traction, la résistance au choc, etc. Dans l'art connu, pour changer ces propriétés, soit on augmente le nombre de plis, soit on perfectionne les techniques d'empilement, soit on change la nature des matériaux de renfort. Pour les matériaux composites de type "sandwich", on joue généralement sur la nature et le dimensionnement de l'âme. Toutes ces modifications risquent d'entraîner notamment des augmentations de poids ou d'épaisseur, ce qui représente de graves inconvénients pour un grand nombre d'applications. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et concerne une nouvelle matrice conduisant à l'obtention d'un nouveau matériau composite monolithique qui offre des caractéristiques physiques et mécaniques nettement supérieures à celles que présentent les matériaux de ce type actuellement connus. Ce nouveau matériau est destiné à être utilisé tel quel, ou à coopérer avec une âme cellulaire dans le cadre d'un matériau de type "sandwich". L'invention concerne plus précisément une matrice pour matériau composite du type comportant une résine thermodurcissable (1) destinée à être renforcée par des renforts tels que (2) et (3); matrice caractérisée en ce que des écailles (5) sont intégrées dans la résine (1) pour former une nouvelle matrice hybride (11) destinée à son tour à recevoir les dits renforts (2) et (3). L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement une coupe réalisée dans un matériau composite monolithique de l'art connu; - la figure 2 illustre schématiquement une coupe d'un matériau composite monolithique réalisé à partir d'une matrice hybride conforme à l'invention; - la figure 3 illustre schématiquement une variante d'un matériau composite selon l'invention. Pour plus de clarté, les mêmes éléments portent les mêmes références sur toutes les figures. On retrouve sur la figure 1 qui illustre, vu en coupe, un matériau composite monolithique de l'art connu, une matrice (1) réalisée comme cela a été dit précédemment en résine pure thermodurcissable avec, noyés dans la masse, des renforts (2) et (3) qui sont, dans l'exemple choisi à titre nullement limitatif, des renforts fibreux. Ces derniers sont représentés au nombre de deux, mais ceci n'est qu'illustratif. En fait, il s'agit d'une pluralité de renforts. Selon une caractéristique importante de l'invention, et comme le montrent les figures 2 et 3, un matériau additionnel en forme d'écaille (5) est ajouté dans la résine thermodurcissable (1) pour former une matrice hybride (11) dans laquelle se trouvent noyés, comme précédemment, les renforts fibreux (2) et (3) de la figure 1 pour former un nouveau matériau composite monolithique. Il convient de ne pas confondre l'addition de ces écailles (5) à une simple addition d'un matériau de renfort supplémentaire, cette fonction restant assurée comme dans l'art connu par les éléments (2) et (3). Il s'agit en revanche d'une véritable nouvelle matrice qualifiée d'hybride (11) qui présente, du fait de la présence des écailles (5), des caractéristiques inattendues mises en évidence par le déposant. Si l'utilisation d'écailles est déjà connue, notamment pour la fabrication de revêtements spéciaux utilisés pour lutter contre la corrosion et pour assurer l'étanchéité, la présente invention décrit une nouvelle application de ces écailles (5) qui accomplissent ici une autre fonction. Ces écailles (5) en effet confèrent à la matrice hybride (11) de nouvelles qualités d'isotropie d'une part, et créent d'autre part un sous-réseau lamellaire à l'intérieur du système "matrice-renfort" qui conduit à des caractéristiques physiques et mécaniques nettement améliorées dont les valeurs sont données plus loin dans un tableau comparatif. De plus, selon une autre caractéristique importante de l'invention, la répartition et la localisation des écailles (5) dans la résine thermodurcissable (1) peuvent être contrôlées en fonction des applications auxquelles sont destinées les matrices hybrides (11) ainsi obtenues. Cette caractéristique est notamment illustrée au moyen des deux figures 2 et 3. Dans la première, les écailles sont uniformément réparties; dans la seconde, leur densité est inégale selon les zones concernées. On peut en effet jouer sur les deux paramètres: répartition et localisation.Pour cela, on ajoute dans la résine thermodurcissable (1) de base, préalablement à l'addition des écailles (5), une quantité variable de produits tensio-actifs choisis parmi ceux qui sont capables de modifier suffisamment les tensions superficielles de la résine (1) vis-à-Vis des écailles (5), ceci en vue d'un bon mouillage de celles-ci par la résine (1). On favorise ainsi l'élimination de tout film d'air présent à la surface des écailles (5), film d'air nuisible au pontage résine (1)-écailles (5). Ce pontage peut, en outre, être amélioré par des agents chimiques appropriés au type de résine utilisée. Le procédé de préparation d'une matrice hybride selon l'invention est décrit ci-dessous. Après que les agents de pontage, tel que silane, et les tensio-actifs aient été ajoutés dans la résine, on disperse par agitation lente dans la dite résine, les écailles (5). Après quoi, on peut ajouter des agents thixotropes ainsi que des pâtes pigmentaires, c'est-à-dire des produits couramment utilisés dans l'industrie des matériaux composites. On obtient une suspension (résine, écailles, agents tensio-actifs et autres additifs) organisée de telle sorte qu'après polymérisation ou durcissement de la matrice hybride (11), on obtienne un nouveau réseau ou sous-réseau solide "écailles-résine" qui améliore le transfert de charges entre fibres et/ou entre plis, et qui, par voie de conséquence, améliore les caractéristiques du matériau composite obtenu à partir de cette matrice hybride (11). Les agents tensio-actifs et agents chimiques sont utilisés à des concentrations pouvant varier de 0,25 à 2,5 %. La quantité d'écailles (5) est comprise entre 2 et 40 %, et se situe plus avantageusement vers 20 % en poids par rapport à la résine de base. La dimension des écailles peut être comprise entre 0,3 mm et 3 mm de long, avec une épaisseur variant de 5 à 30 microns. La nature des écailles est variée en fonction de l'application. Il peut s'agir par exemple d'écailles de verre, de mica ou de graphite, écailles de polyméthacrylate de méthyl, mais cette liste n'est pas exhaustive. La présente invention concerne également tout matériau composite monolithique obtenu à partir d'une matrice hybride obtenue selon l'invention. En effet, cette dernière qui est homogène peut alors être utilisée selon les mêmes prescriptions que celles qui sont recommandées par les fournisseurs de résines de base. Selon une autre caractéristique de l'invention, deux variantes sont réalisables pour l'obtention d'un matériau composite à partir d'une matrice (11) telle que définie précédemment. Ces variantes sont basées sur la répartition des écailles (5) dans la résine de base (1). Dans un premier cas, elle est stable et on obtient la structure illustrée au moyen de la figure 2, et dans ce cas, on diminue le caractère anisotrope en volume du matériau composite, tout en améliorant la répartition des contraintes dans le matériau et tout en réduisant les contractions en volume, c'està-dire les retraits de la matrice. On supprime ainsi de nombreux problèmes liés à ce phénomène. Dans un second cas, par modification des propriétés rhéologiques de la matrice hybride (11), la dispersion des écailles (5) dans la résine de base (1) est rendue peu stable et, comme le montre la figure 3, on assiste à une décantation rapide des écailles (5) dans la matrice et ce, même à l'intérieur d'un pli pendant l'élaboration du matériau composite. Ceci a pour effet d'augmenter considérablement le caractère isotrope dans le plan, comme le montre la figure 3 où l'on voit des zones (a), (b) et (c) à grande densité d'écailles, tout en améliorant la répartition des contraintes. Le tableau ci-dessous illustre clairement l'amélioration des principales caractéristiques techniques des matrices hybrides selon l'invention, par rapport aux matrices de base de l'art connu. Matrices Caractéristiques de base hybride Viscosité (poises) 3,2 5,2 Module d'élasticité moyen en flexion (daN/mm2) 320 556 M1 M2 M'1 M-'2 Matériaux composites monolithiques obtenus avec module d'élasticité moyen en flexion (da N/mm2) 1380 965 1612 1169 Les applications de l'invention sont nombreuses. Elles concernent toutes les industries qui mettent en oeuvre des ~ matériaux composites monolithiques ou de type "sandwich". REVENDICATIONS 1) Matrice pour matériau composite du type comportant une résine thermodurcissable (1) destinée à être renforcée par des renforts tels que (2) et (3); matrice caractérisée en ce que des écailles (5) sont intégrées dans la résine (1) pour former une nouvelle matrice hybride (11) destinée à son tour à recevoir les dits renforts (2) et (3). 2) Matrice selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un produit tensio-actif est ajouté pour modifier les tensions superficielles du milieu, de telle sorte qu'il favorise le mouillage des dites écailles (5), facilitant ainsi la liaison et la répartition du couple "résine-écailles". 3) Matériau composite caractérisé en ce que la matrice mise en oeuvre est une matrice hybride (11) selon l'une des revendications précédentes, matrice avec laquelle coopèrent des matériaux de renfort (2) et (3). 4) Matériau composite selon la revendication 3, caractérisé en ce que, par modification rhéologique de la résine de base (1), se forme, après durcissement ou polymérisation, un sous-réseau solide "résine-écailles" à l'intérieur du matériau composite, qui améliore la répartition des contraintes et - diminue le retrait inhérent au passage de l'état liquide à l'état solide de la résine (1). 5) Matériau composite selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que, par modification des propriétés rhéologiques de la résine de base, la densité des écailles s'accroit, notamment par décantation, dans certaines zones (a), (b) et (c). 6) Procédé de préparation d'une matrice hybride (11) composite selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - dispersion d'écailles (5) dans la résine thermodurcissable (1) par agitation lente; - adjonction d'agents tensio-actifs; ces étapes conduisant à l'obtention d'une suspension organisée de telle sorte qu'après durcissement ou polymérisation, on obtienne un sous-réseau "résine-écailles" destiné à coopérer avec des matériaux de renfort (2) et (3). 7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que des agents thyxotropes sont ajoutés notamment pour assurer la coloration de la dite matrice hybride (11). 8) Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé eri ce que les écailles ont une longueur de 0,3 à 3 mm et une épaisseur de 5 à 30 microns. 9) Procédé selon l'une des revendications 6, 7 et 8, caractérisé en ce que la concentration des agents tensio-actifs et c chimiques varie de 0,5 à 2,5 % et la quantité d'écailles de 2 à 40 % en poids par rapport à la résine de base.