Brevet FR2609730A1 — publié le 19880722

i La présente invention concerne des matières en fibres de carbone et elle a trait plus particulièrement à la fabrication de feuilles de matières en fibres de carbone pour le renforcement de matériaux composites. Un renforcement en fibres de carbone peut se présenter sous la forme de cordons de filaments continus. Pour incorporer une telle matière à un matériau composite, par exemple un disque de frein en matériau composite carbone-carbone dans lequel les filaments de renforcement en carbone sont entourés par une matrice de carbone déposé, il est nécessaire de préparer la matière de renforcement sous la forme d'un tissu ayant une stahlité suffisante pour lui permettre d'être découpé en morceaux profilés qui doivent être assemblés pour produire un disque. La matière de renforcement peut être formée d'une fibre de carbone qui peut être produite à partir d'un précurseur de carbone comme des fibres de polyacrylonitrile oxydé (PAN) ou de poix stabilisée; dans tous ces cas, les fibres ne doivent pas adhérer ensemble pour permettre la formation d'un tissu non tissé stable à partir de filaments continus qui sont alignés unidirectionnellement. Un objet de la présente invention est de résoudre ce problème et de produire une feuille stable de filaments sensiblement continus de fibres de carbone ou de fibres d'un précurseur de carbone. Conformément à l'invention, il est créé une feuille de filaments continus de carbone ou d'un précurseur de carbone aiguilletés, utilisable pour le renforcement d'un matériau composite carbone-carbone, lesdits filaments étant liés ensemble dans une relation côte-à-côte au moyen d'un matériau transitoire. Egalement, conformément à l'invention, il est créé une feuille de filaments continus de carbone ou d'un précurseur de carbone aiguilletés, utilisable pour le renforcement d'un matériau composite carbone-carbone, lesdits filaments étant liés ensemble dans une relation côte-à-côte avec une feuille d'un matériau de soutien transitoire. En outre, conformément à l'invention, il est créé une feuille de filaments continus de carbone ou de précurseur de carbone aiguilletés utilisable pour le renforcement d'un matériau composite carbone-carbone, lesdits filaments étant liés ensemble dans une relation côte à côte et étant liés avec une feuille d'un tissu de soutien transitoire au moyen de parties bouclées ou rompues, et accrochées entre elles, de filaments adjacents. Pour produire une feuille comprenant des filaments de carbone continus, un procédé conforme à l'invention consiste à préparer une feuille desdits filaments continus, à déposer une matière de soutien transitoire sur les filaments continus, à aiguilleter lesdits filaments continus et la matière de soutien pour lier les filaments avec la matière de soutien et à détruire la matière de soutien transitoire pour laisser les filaments liés ensemble au moyen de parties bouclées ou rompues, et accrochées ensemble, de filaments adjacents. Par l'expression " feuille porteuse ", on entend une feuille, par exemple formée d'un tissu, ou d'un film ou d'une couche de matière déposée à partir d'une solution ou autrement. La feuille porteuse de matière de soutien transitoire peut être enlevée par décomposition, par exemple par un traitement à haute température, par vapori- sation ou par dissolution. Dans le cas de tissus en précurseur de carbone, cela est commodément réalisé pendant le processus de carbonisation qui convertit le précurseur de carbone en une fibre de carbone. On a trouvé que l'opération d'aiguilletage, c'est-à-dire de poinçonnage par aiguilles, dans laquelle des parties bouclées ou rompues des filaments perforent une matière de soutien, produit un accrochage mutuel intime des filaments qui est maintenu pendant et après l'enlève- ment de la matière de soutien transitoire. Un rétrécisse- ment des filaments pendant l'étape de carbonisation contribue à stabiliser la structure et à produire un tissu manipulable qui peut être utilisé pour la préparation de structures composites. Le tissu produit par un procédé conforme à l'invention peut être traité chimiquement à n'importe quel stade afin de déposer une matière appropriée agissant comme un inhibiteur d'oxydation dans un matériau composite carbone-carbone final. En variante, avant la carbonisation, il est possible d'infiltrer dans la matière de soutien transitoire une substance carbonisable qui laisse un résidu charboneux lors de la carbonisation ultérieure et qui est conservée sous la forme d'une matrice de carbone afin de contribuer à lier la structure et d'agir comme dans la première étape de production d'un matériau composite carbone-carbone. La substance carbonisable peut contenir des éléments, des particules ou des ingrédients qui agissent comme des inhibiteurs d'oxydation dans un matériau composite carbone-carbone final. L'invention concerne en outre un matériau composite carbone-carbone comprenant au moins une feuille de filaments continus de carbone aiguilletés qui sont liés ensemble dans une relation côte-à-côte au moyen de parties bouclées ou rompues, accrochées ensemble, de filaments adjacents. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation latérale et en coupe schématique d'une partie d'une feuille d'une matière filamentaire en carbone ou en précurseur de carbone qui a été liée par aiguilletage avec une feuille porteuse transitoire, et la figure 2 est une vue semblable à la figure 1 et montrant la feuille de matière filamentaire après destruction de la feuille porteuse transitoire. Comme indiqué schématiquement sur la figure 1, un élément porteur se présentant sous la forme d'une feuille 10 constituée d'une matière "transitoire "(c'est- à-dire une matière qui peut être détruite, par exemple en étant vaporisée par chauffage ou bien dissoute dans un solvant approprié) est utilisé pour supporter une feuille 11 de filaments continus et les deux feuilles sont réunies par un processus classique d'aiguilletage en utilisant des aiguilles à barbes qui rompent ou déplacent certains des filaments, en entraînant des parties 12 de filaments dans ou au travers de la feuille porteuse, comme indiqué. Les feuilles aiguilletées liées ensemble 10 et 11 sont ensuite soumises à un processus d'enlèvement de la substance transitoire. Si les filaments sont des fila- ments en précurseur de carbone, un processus de carboni- sation est également nécessaire pour convertir les fila- ments en des filaments de carbone. Lorsque cela est appro- prié, ce processus pourrait comporter une étape d'enlève- ment de la matière transitoire. Cela laisse subsister les filaments de la feuille 11 dans un état carbonisé et des parties 12 desdits filaments sont intimement accrochées ensemble. La majorité des filaments sont cependant sensi- blement alignés avec la direction d'origine dans laquelle ils ont été mis en place sur la feuille porteuse. Une feuille stable et manipulable d'un tissu de fibres de carbone alignées est par conséquent produite, en permettant une préparation de morceux du tissu par découpage à des formes et dimensions requises en vue d'une incorporation dans une structure composite en carbone-carbone ou autre. Des feuilles peuvent être aiguilletées ensemble avant enlèvement de la matière de soutien transitoire afin de former une feuille multicouche, ou bien un empilage de couches multiples plus épais afin de créer une préforme servant à la fabrication d'un produit composite. L'aligne- ment des filainments dans-un pli à l'intérieur d'une feuille à couches multiples peut être orienté transversalement à celui des filaments dans un autre pli. Pour compléter la fabrication d'une structure composite, des feuilles à simple couche ou à couches multiples peuvent être empilées et comprimées dans un montage approprié de façon à obtenir un volume de fibres de, par exemple, approximativement 20 % et cet ensemble est soumis à un processus de dépôt chimique en phase vapeur pour infiltrer et déposer une matrice de carbone sur la structure de fibres. En variante, des préformes aiguilletées et indépendantes peuvent être traitées d'une façon semblable. Une application de la structure composite résultante concerne la fabrication de disques de frein en matériau composite carbone-carbone pour un frein à disque pour avion mais cette structure convient également pour d'autres applications. Une matrice de carbone peut, en variante, être déposée, par exemple, par imprégnation avec de la résine ou de la poix, cette étape étant suivie par une carbonisation. Le tissu en fibres de carbone alignées peut aussi être utilisé dans la fabrication de matières plasti- ques renforcées par des fibres de carbone, notamment lorsqu'elles ont une forme complexe et lorsqu'il est nécessaire d'obtenir un tissu ayant une bonne " souplesse'. Des exemples plus détaillés de préparation d'une feuille de filaments en fibres de carbone vont être donnés dans la suite: EXEMPLE 1 Un cordon de PAN oxydé à 320K filaments a été étalé jusqu'à une largeur de 130 millimètres et a été réuni par aiguilletage avec un tissu de polyester lié au filage de manière à produire un tissu ayant un poids de 500 grammes par mètre carré. Le tissu a été carbonisé à une température de 110C pour obtenir un poids final de 350 grammes par mètre carré. EXEMPLE 2 Un cordon de PAN oxydé à 320K filaments a été étalé jusqu'à une largeur de 260 millimètres et a été réuni par aiguilletage avec un tissu de polyester lié au filage de façon à produire un tissu ayant un poids de 285 grammes par mètre carré. Le tissu a été carbonisé à une température de 1100 C pour obtenir un poids final de grammes par mètre carré. EXEMPLE 3 Un total de 5 cordons en PAN oxydé à 320K filaments,ayant chacun une largeur de 130 millimètres, ont été disposés côte à côte et réunis par aiguilletage avec un tissu en polyester lié au filage de façon à obtenir un tissu d'une largeur de 640 millimètres et d'un poids de 510 grammes par mètre carré. Après carbonisation à C, le tissu a présenté un poids final de 385 grammes par mètre carré. EXEMPLE 4 Une feuille de tissu produite par le procédé décrit dans l'Exemple 3 a été déposée transversalement sur un tissu semblable de telle sorte que, les filaments continus de chaque feuille se croisent mutuellement à 909 et ils ont été réunis ensemble par aiguilletage de façon à produire un tissu d'une largeur de 640 mm et d'un poids de 1100 grammes par mètre carré. Après carbonisation à 1100C, le tissu a présenté un poids final de 700 grammes par mètre carré. EXEMPLE 5 Un cordon en carbone à 320K filaments a été étalé jusqu'à une largeur de 180 millimètres et a été réuni par aiguilletage avec un matériau de soutien transitoire constitué par un tissu en polyester lié au filage de maniè- re à produire un tissu ayant un poids de 295 grammes par mètre carré avant destruction du tissu en polyester. Le procédé conforme à l'invention qui a été décrit en référence aux exemples donnés ci-dessus permet la préparation d'une feuille de filaments continus alignés, complètement ou partiellement carbonisée. Cela procure des avantages substantiels, notamment en ce qui concerne le coût, par rapport à des procédés existants dans lesquels une matière en fibres longues disposées en croix est utilisée pour former un tissu manipulable stable. 260973e REVENDICATIONS 1. Feuille de filaments continus en carbone ou en précurseur de carbone aiguilletés utilisable pour le renforcement d'un matériau composite carbone-carbone, caractérisée en ce que lesdits filaments (11) sont liés ensemble dans une relation côte-à-côte au moyen d'une matière transitoire (10). 2. Feuille de filaments continus en carbone ou en précurseur de carbone aiguilletés utilisable pour le renforcement d'un matériau composite carbone-carbone, caractérisée en ce que lesdits filaments (11) sont liés ensemble dans une relation côte-à-côte avec une feuille (10) d'une matière de soutien transitoire. 3. Feuille de filaments continus en carbone ou en précuseur de carbone aiguilletés utilisable pour le renforcement d'un matériau composite carbone-carbone, caractérisée en ce que lesdits filaments (11) sont liés ensemble dans une relation côte-à-côte et sont liés avec une feuille (10) d'un tissu de soutien transitoire au moyen de parties bouclées ou rompues (12), et accrochées ensemble de filaments adjacents. 4. Feuille de filaments en carbone ou en précur- seur de carbone selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les filaments (11) sont traités avec une substance carbonisable pour produire lors d'un chauffage un charbon contribuant à lier les filaments. 5. Feuille selon une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce qu'un inhibiteur d'oxyda- tion est déposé sur elle. 6. Feuille de filaments en précurseur de carbone selon la revendication 4, caractérisée en ce que la substance carbonisable contient un inhibiteur d'oxydation. 7. Empilage de feuilles selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites feuilles (11) sont liées ensemble par aiguilletage en constituant une préforme servant à la fabrication d'un matériau composite carbone-carbone. 8. Empilage de feuilles selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alignement des filaments dans une feuille (11) est orienté transversalement à celui des filaments dans une autre feuille. 9. Feuille multicouche, caractérisée en ce qu'elle est formée de feuilles selon une quelconque des revendica- tions 1 à 6 par liaison ensemble par aiguilletage des feuilles précitées et par enlèvement de la matière transi- toire. 10. Feuille multicouche, caractérisée en ce qu'elle est formée de feuilles de filaments de précurseur de carbo- ne conformes à une quelconque des revendications 1 à 6 par liaison par aiguilletage desdites feuilles avant carboni- sation. 11. Feuille multicouche selon une des revendica- tions 9 ou 10, caractérisée en ce que l'alignement des filaments (11) dans un pli de la feuille multicouche croise celui des filaments dans un autre pli de la feuille multi- couche. 12. Matériau composite carbone-carbone, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une feuille (11) de filaments continus de carbone aiguilletés qui sont liés ensemble dans une relation côte-à-côte au moyen de parties bouclées ou rompues, et accrochées ensemble (12) de filaments adjacents. 13. Matériau composite carbone-carbone, caractéri- sé en ce qu'il comprend au moins une feuille de filaments (11) en carbone ou en précurseur de carbone selon une quelconque des revendications 1 à 11. 14. Procédé pour produire une feuille stable de filaments continus en carbone ou en précurseur de carbone aiguilletés qui sont placés dans une relation côte-à-côte, caractérisé en ce qu'il consiste à préparer une feuille (11) desdits filaments continus, à déposer une matière de soutien transitoire (10) sur les filaments continus, à lier ensemble par aiguilletage lesdits filaments continus et ladite matière de soutien pour fixer les filaments sur la matière de soutien, et à détruire la matière de soutien transitoire de façon à laisser les filaments liés ensemble au moyen de parties bouclées ou rompues (12), et accrochées ensemble, de filaments adjacents. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la matière de soutien transitoire (10) est détruite par un traitement à haute température qui sert également à carboniser des filaments continus en précur- seur de carbone (11) de ladite feuille. 16. Procédé selon une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à lier ensemble par aiguilletage des feuilles pour former une feuille à couches multiples avant enlèvement de la matière de soutien transitoire (10). 17. Procédé selon une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à lier ensemble par aiguilletage des feuilles afin de former un empilage de couches multiples avant enlèvement de la matière de soutien transitoire (10) en vue de créer une préforme à couches multiples pour la fabrication d'un matériau composite. 18. Procédé selon une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que l'alignement des filaments dans une feuille croise celui des filaments dans une autre feuille. 19. Feuille stable à simple couche ou à couches multiples de filaments continus en carbone ou en précurseur de carbone aiguilletés, caractérisée en ce qu'elle est préparée par un procédé selon une quelconque des reven- dications 14 à 18.