Brevet FR2616106A1 — publié le 19881209

l 2616106 "Matériau composite métal-matière plasticque et procédé pour sa fabrication". L'invention concerne un matériau composite en métal et matière plastique avec une âme métallique noyée dans la matière plastique et munie de passages ainsi qu'un procédé pour la fabrication de ce matériau. Les matériaux composites à âme en fibres textiles et en câbles textiles ainsi qu'une matrice en matières synthétiques thermoplastiques ou thermodurcissables sont connus d'après le document de brevet DE-OS 28 51 526. De tels matériaux composites ont pour inconvénients de ne pas remplir les conditions de stabilité de forme, de rigidité de forme et de résilience 15.telles qu'elles sont posées dans la construction des avions et des turbines, par exemple pour les aubages directeurs et les organes de moteurs. Les matériaux composites à matrice en matière plastique et armature sous forme de treillis ou de tissu à mailles, par exemple en fil métallique, tels qu'ils sont connus d'après le document de brevet DE-OS 15 59 464, présentent également ces inconvénients. En outre, les différences de dilatation thermique entre le tissu métallique et la matrice en matière plastique entrainent, dans des conditions de sollicitations thermiques extrêmes, la destruction du matériau composite, par exemple en ce qui concerne les surfaces directrices et les organes de moteurs. La présente-invention a donc pour but de créer un matériau composite métal-matière plastique et d'indiquer un procédé pour la fabrication de ce matériau, avec lesquels, d'une part, les influences de la température soient, le moins possible, transmises en service par le métal conducteur de la chaleur. Le corps composite doit présenter, d'autre part, une résistance à 2 2616106 la rupture et une résistance au choc plus élevées que celles du matériau non-métallique seul. A cet effet, l'invention concerne un matériau du type ci-dessus caractérisé en ce que l'âme métallique est en forme de feuille, stratifiée, spongieuse ou réticulée, en ce que la matière plastique comporte des fibres de renfort en fibres aramides et/ou en carbone et/ou en verre, et en ce que les fibres de renfort traversent les passages de façon multiple sans être en contact mécanique avec le métal. L'invention concerne en outre un procédé pour fabriquer le matériau cidessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes dans lesquelles: a) on réalise les passages dans l'âme métallique, b) on infiltre l'âme métallique ou on imprègne les fibres de renfort avec une résine thermodurcissable, réticulable ou durcissable, c) on réalise un produit composite préalable métal-matière plastique par introduction multiple, tirage ou poussage multiple des fibres de renfort à travers les passages de l'âme métallique et d) on assemble plusieurs couches de produit composite préalable métal-matière plastique pour former un matériau composite stratifié par réticulation et durcissement. D'autres caractéristiques de l'invention sont décrites et représentées dans la suite en se référant à des exemples de réalisation. L'invention permet d'économiser des matières premières métalliques onéreuses. En outre, malgré une résistance et une rigidité plus élevées que celles de ces métaux et des matériaux composites connus d'après les documents de brevets DE-OS 28 51 526 et DE-OS 15 59 464, on obtient une économie de poids allant jusqu'à 30% environ, suivant l'élément.de construction composite 3b 3 2616106 considéré, par rapport aux matières premières métalliques. Avec l'invention, on obtient une très bonne liaison de l'âme métallique dans la matière plastique renforcée par de fibres, cette liaison ne consistant pas en un simple collage. L'âme métallique peut être très mince, son épaisseur pouvant être inférieure à un millimètre, ce qui permet d'effectuer des économies de matière. De même, on peut constituer de couches en fibres de graphite, en fibres de carbone, en fibres aramides ou en fibres de verre, l'épaisseur de la couche de fibres étant comprise entre 0,05 et 0,2 mm. L'invention procure une série de nouvelles possibilités d'applications d'un tel matériau composite qui est classé par les sphères spécialisées dans le groupe des hybrides. Un avantage essentiel d'un tel matériau réside dans son faible poids, sa bonne aptitude au façonnage et une qualité de surface élevée. Les éléments constitués en un tel matériau composite peuvent être fabriqués en série de façon simple et économique. Ce matériau peut être mis en application de façon particulièrement avantageuse dans la construction des propulseurs et dans la construction aéronautique, c'est- à-dire en aéronautique et en spationautique. Il en est de même pour les installations fixes et les véhicules. On peut fabriquer des structures complètes d'aubages directeurs, des revêtements de fuselages et d'ailes, des éléments de rigidité, des volets, des habillages, des radomes, des carters, des enveloppes intermédiaires et extérieures et autres éléments similaires. Par la construction du matériau composite avec une âme métallique et une matière plastique renforcée par des fibres, dans laquelle l'âme métallique et la matière plastique sont disposées, d'une part avec des liaisons multiples et, d'autre part, sans contact entre l'âme métallique et les fibres de renfort, on obtient un grand 4 2616106 avantage en ce que la partie composante la plus résistante, notamment en matière métallique, peut en raison de son grand allongement de rupture absorber encore de l'énergie quand les fibres de renfort, les fils ou similaires, connus par exemple d'après le document de 3 brevet DE-OS 28 51 526 sont déjà rompus. Une telle rupture peut se produire notamment en cas de fortes sollicitations de type mécanique telles que sollicitations par chocs. Le matériau métallique présente alors des passages tels qu'ouvertures, alésages, trous, pores, conduits ou autres cavités, par lesquels on peut engager les fibres de renfort en fils, brins fibreux, barbes, individuellement ou en les liant entre elles de façon connue pour former par exemple des tissus, des réseaux, des nattes, des feutres ou des entrelacs. Les fibres de renfort passent alors dans les ouvertures ou les cavités de l'âme métallique ou sont guidées, tirées ou poussées dans ces ouvertures ou cavités, par exemple par une machine du genre machine à coudre. Il. est alors avantageux que les fibres de renfort individuelles soient au préalable imprégnées de matière plastique ou que les cavités de l'âme métallique reçoivent une infiltration au préalable, la matière plastique étant à l'état plastique. La dilatation thermique et le module d'élasticité de l'âme métallique sont ainsi adaptés aux valeurs correspondantes des fibres de renfort et de la matrice en matière plastique traversant et entourant l'âme métallique. Il est particulièrement avantageux d'utiliser des matières thermoplastiques à cause de leur bonne aptitude à la liaison avec l'âme métallique et de leur possibilité de pénétration dans les passages de l'âme métallique. Les fibres de rendort peuvent être introduites, tirées ou poussées pour autant que la matière thermoplastique ne soit pas encore solidifiée. On peut aussi utiliser des matières thermodurcissables telles que les résines ABS ou d'autres résines synthétiques. Pour les âmes métalliques, on utilise avantageusement des matières du groupe comprenant l'acier, les superalliages, le titane, l'aluminium, le cuivre ou un métal du groupe du platine (groupe VIII de la classification périodique des éléments) et des alliages contenant au moins l'un de ces métaux. Il est avantageux de fabriquer d'abord un produit composite préalable métal-fibres de matière plastique avec une âme métallique infiltrée de matière- plastique et des fibres de renfort en fils non métalliques imprégnées de matière plastique, des fibres, des barbes ou des tissus correspondants, des réseaux ou des structures similaires et de fabriquer ensuite le produit stratifié en sandwich, le demi-produit, l'élément presque terminé ou l'élément terminé. Pour ce façonnage de matière plastique, il s'est révélé judicieux d'utiliser un procédé par injection un procédé par coulée ou un procédé par compression, notamment par compression à froid ou à chaud, comme cela est usuel dans la technologie des matières plastiques. Diverses étapes intermédiaires, notamment des traitements préalables ou ultérieurs, peuvent être intercalées comme on le désire suivant les matières de base ou l'état final souhaité. On peut, par exemple, éliminer le coke d'un produit d'injection contenant du carbone ou silicier ou encore nitrurer un élément de base ou un substrat. De même, un élément de base ou un substrat contenant déjà du carbone peut être converti, au moins partiellement, en carbure et les matières premières qui peuvent être mises en réaction dans une atmosphère contenant de l'hydrogène, peuvent être traitées dans une atmosphère contenant de l'hydrogène, par exemple pendant un crépitement réactif, une pulvérisation ou un bombardement ionique. 6 2 6 1 2616106 Un avantage particulier est obtenu si, au cours d'un traitement préalable de la matière plastique, on mélange à cette matière plastique des matières divisées telles que des particules métalliques, par exemple sous forme de poudre, de plaquettes ou de fibres courtes. En effet, on obtient ainsi un passage plus favorable, par exemple progressif, du coefficient de dilatation thermique de l'âme métallique à celui de la matière plastique renforcée par des fibres. La surface peut être avantageusement améliorée à la fin par émaillage, vitrification ou métallisation. Le matériau composite peut être métallisé de différentes façons, comme cela est connu en soi, en électronique, pour la fabrication de substrats de cartes de circuits imprimés. L'incorporation ou l'introduction pour dopage de particules de diverses matières dans les surfaces au moyen de rayonnements à haute énergie est également connue en soi et peut également être mise en application dans le cas présent. Les matières plastiques peuvent avantageusement être réticulées et/ou durcies dans un moule. Suivant un mode de réalisation, l'âme métallique est disposée pour sortir de la matière plastique au moins d'un côté et de préférence des deux côtés. Suivant des modes de réalisation, on réalise les passages de l'âme métallique par coulée de métal dans un moule avec des noyaux et on retire ces noyaux du moule, par effervescence, par attaque chimique, par perçage ou poinçonnement, par voie mécanique, chimique, par électroérosion ou par voie électrochimique. L'invention est décrite plus en détail ci-après en se référant à des exemples de réalisation représentés sur les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente une âme métallique d'un matériau composite, 3D 7? 2616106 - la figure 2 représente l'âme métallique assemblée avec une fibre de renfort, - la figure 3 représente un produit composite fibreux (chaine et trame) et - la figure 4 représente un matériau composite stratifié en forme de sandwich avec une âme métallique. Conformément à la figure 1, l'âme métallique 1 du matériau composite 4 est constituée d'une plaque métallique, d'une couche, d'une feuille ou d'un élément similaire d'épaisseur relativement faible, notamment en tôle dont l'épaisseur est de l'ordre du millimètre ou inférieure. Des ouvertures 2 sont pratiquées dans le métal, par exemple par galvanoplastie, par poinçonnement, par attaque chimique, par perçage, par érosion ou de façon similaire. Les ouvertures sont disposées sur la surface de l'âme métallique 1 suivant le calibre désiré et avec une répartition uniforme ou non. Il est alors important que les ouvertures 2 soient relativement plus grandes que les fibres de renfort 3 qui les traversent sans être cependant considérablement plus grandes, mais seulement dans la mesure o une imprégnation ou une infiltration en matière plastique assure un intervalle entre l'âme métallique 1 et les fibres de renfort 3 en empêchant un contact entre ces fibres de renfort 3 et l'âme métallique 1, en particulier dans la zone de passage des fibres de renfort 3 dans les ouvertures 2. D'autre part, le nombre et la répartition des ouvertures 2 de l'âme métallique 1 sont choisis de manière que la résistance mécanique de l'ensemble de la partie métallique ne soit pas affaiblie. L'âme métallique 1 peut être fabriquée par laminage, par exemple à partir de tôle, ou d'une autre manière sous forme de feuille, notamment sous forme de bande, ou suivant une technique par stratification, par exemple par métallisation ou par - dépôt galvanoplastique ou chimique. Un substrat en matière plastique, pouvant être enlevé ensuite, peut 3L 8 2* 6 12616106 alors être assemblé temporairement avec l'âme métallique. On peut aussi opérer de façon inverse. Les cavités de l'âme métallique 1, se présentant sous forme d'ouvertures 2, de perçages, de trous, de pores ou d'évidement similaires, doivent, le cas échéant après un traitement supplémentaire, permettre le passage de fibres de renfort en une matière de renfort telle que fibres aramides, carbone, verre ou en un hybride de deux ou trois de ces matières. La figure 2 représente à titre d'exemple une fibre de renfort 3 qui passe à travers les ouvertures 2 de l'âme métallique 1. Pour qu'il n'y ait. aucun contact direct entre les fibres de renfort 3 et l'âme métallique 1, les fibres de renfort sont, par exemple, liées individuellement ou à plusieurs après avoir été imprégnées ou vernies, par exemple par immersion et/ou par traitement thermique, avec une résine synthétique telle que, par exemple, une résine époxyde ou des polyimides. On peut aussi imprégner, c'est-à-dire, infiltrer, l'âme métallique 1 en forme de feuille, stratifiée, poreuse ou constituée de façon similaire, avec les matières synthétiques mentionnées plus haut. Cette opération peut être effectuée notamment en ce qui concerne les cavités, par exemple aussi par immersion ou procédé similaire, de manière à garantir que les fibres de renfort 3 puissent passer à travers les ouvertures 2 sans venir en contact avec le métal car elles en sont alors maintenues à distance par la matière plastique. La figure 3 représente une disposition avantageuse des fibres de renfort 3 dans un ensemble de fibres composite. On doit alors, d'abord, lier les fibres de renfort 3 à l'âme métallique 1 à la manière d'une chaîne et d'une trame de façon à réaliser un tissu ou un réseau similaire traversant l'âme métallique 1 et l'entourant au moins partiellement. On forme ainsi un produit composite métal-fibres de matière plastique. La figure 4 représente le matériau composite sous forme de stratifié en sandwich. Ce matériau est amené dans cette forme à partir du matériau composite métal-fibres de matière plastique par extrusion, enrobage, moulage ou procédé similaire en formant un demi-produit, un produit stratifié, un produit semi-fini ou un élément terminé sous sa forme finale. Comme représenté sur la figure 4, l'âme métallique 1 peut sortir d'un côté ou des deux côtés. Lorsqu'on utilise une matière plastique telle qu'une matière thermoplastique, il est recommandé d'utiliser un procédé d'injection ou un procédé de coulée, tandis qu'il est judicieux d'utiliser un procédé sous pression pour les résines synthétiques telles que les polyéthylènes ou les polyimides. On peut alors intercaler ou prévoir ensuite une opération de durcissement thermique, une opération de réticulation et/ou une opération de durcissement dans un moule, notamment lorsqu'on incorpore en plus des matières divisées. Les produits stratifiés en sandwich, les matériaux composites à structure en superposition multiple et alternée ou encore avec une âme métallique 1 sortant sous forme d'ancrage, peuvent être fournis sous forme de demi- produits sans fin à couper, par exemple en bande. Tel est le cas, notamment, lorsqu'ils sont fabriqués par un procédé d'injection ou d'extrusion. Ils peuvent aussi être fabriqués sous la forme semi-finie d'un élément de construction; c'est-à-dire qu'il faut encore dans ce cas un usinage, même peu important, ou ils peuvent être fournis sous forme d'éléments terminés (c'est-à-dire à la cote finale). REVENDICATIONS 1) Matériau composite (4) en métal et matière plastique avec une &me métallique (1) noyée dans la matière plastique et munie de passages (2), caractérisé en ce que l'&me métallique (1) est en forme de feuille, stratifiée, spongieuse ou réticulée, en ce que la matière plastique comporte des fibres de renfort (3) en fibres aramides et/ou en carbone et/ou en verre, et en ce que les fibres de renfort traversent les passages de façon multiple sans être en contact mécanique avec le métal. 2) Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière plastique est choisie dans le groupe comprenant les matières thermoplastiques. 3) Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière plastique est choisie dans le groupe comprenant les matières thermodurcissables. 4) Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière métallique est choisie dans le groupe comprenant l'acier, les superalliages, le titane, l'aluminium, le cuivre ou un métal du groupe du platine (groupe VIII de la classification périodique des éléments) et des alliages comprenant au moins l'un de ces métaux. ) Matériau composite selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que les fibres de renfort sont sous forme de fibres individuelles, ces fibres pouvant être liées et/ou réunies de façon hybride sous forme de tissu, d'entrelac, de feutre, de natte, de réseau, ou similaire. 6) Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les passages du métal sont des cavités telles qu'ouvertures espacées, perforations, trous, pores, conduits et similaires. 3$ là1 7) Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'âme métallique est disposée pour sortir de la matière plastique au moins d'un côté et de préférence des deux côtés. 8) Procédé pour fabriquer un matériau composite en métal et matière plastique avec une âme métallique noyée dans la matière plastique et munie de passages, cette âme étant en forme de feuille, stratifiée, spongieuse ou réticulée, la matière plastique comportant des fibres de renfort en fibres aramides et/ou en carbone et/ou en verre, les fibres de renfort traversant les passages de façon multiple sans être en contact mécanique avec le métal, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes dans lesquelles: a) on réalise les passages (2) dans l'âme métallique (1), b) on infiltre l'âme métallique ou on imprègne les fibres de renfort avec une résine thermodurcissable, réticulable ou durcissable, c) on réalise un produit composite préalable métal-matière plastique par introduction multiple, tirage ou poussage multiple des fibres de renfort à travers les passages de l'âme métallique et d) on assemble plusieurs couches de produit composite préalable métal-matière plastique pour former un matériau composite stratifié par réticulation et durcissement. 9) Procédé pour fabriquer un matériau composite selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on réalise les passages de l'&me métallique par coulée de métal dans un moule avec des noyaux et on retire ces noyaux du moule, par effervescence, par attaque chimique, par perçage ou poinçonnement, par voie mécanique, chimique, par électroérosion ou par voie électrochimique. 12 2616106 ) Procédé pour fabriquer un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'on ajoute des matières divisées telles que particules métalliques sous forme de poudre, de plaquettes ou de fibres courtes & la matière plastique thermodurcissable, réticulable ou durcissable. 11) Procédé pour fabriquer un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 8 à , caractérisé en ce qu'on améliore la surface du matériau composite par vitrification, émaillage ou métallisation.