Brevet FR2614045A1 — publié le 19881021

L'invention appartient au domaine des tissus dits techniques, c'est-à- dire des tissus dont les applications sont essentiellement industrielles. L'invention a plus par- ticulièrement pour objet un tissu à base de fibres convenant pour la fabrication d'articles composites utilisables en tant que structures extérieures. L'invention concerne donc les tissus ainsi que les articles comprenant lesdits tissus, tels que ceux obtenus par imprégnation de ces tissus avec une résine, éventuellement en combinaison avec d'autres constituants, en réalisant ainsi des structures ayant des domaines d'application très divers, surtout dans l'industrie aéronautique. A l'heure actuelle, on se préoccupe de plus en plus de trouver de nouveaux matériaux légers et résistants, mrme dans des conditions d'utilisation très sévères. Ces problèmes techniques sont particulièrement cruciaux pour la fabrication de structures extérieures des aéronefs, telles que carénages, capotages, portes et autres. On sait que les structures extérieures d'un aéronef sont soumises à de très fortes variations de températures. Celles-ci atteignent en effet -55 C en altitude et vont parfois jusqu'à 700C au sol. De surcrolt la congélation et le dégel répétés de l'eau, ab- sorbée par un article composite servant de structure exté- rieure entralne des micro-fissurations, qui à leur tour favorisent encore la reprise d'eau et conduisent à terme à de graves dégâts. On s'est donc efforcé de trouver des matériaux composites pour la fabrication de telles pièces extérieures, qui sont capables de résister à de telles températures, tout en possédant des caractéristiques mécaniques suffisantes al- liées à une masse unitaire la plus faible possible. Dans la technique antérieure on a tout d'abord utilisé des composi- tes verre/résine époxyde, mais on leur préfère actuellement des composites aramide/époxyde, dont la densité est moins élevée et dont la résistance à l'impact est en général su- périeure. A titre illustratif, la densité d'un composite verre/époxyde comportant 50% de résine est d'environ 1,87 alors que la densité d'un composite aramide/époxyde, compor- tant le même taux de résine est voisine de 1,32. Les pro- priétés des composites à base d'aramide sont donc supérieures au moins pour ce qui est de la masse unitaire et des caractéristiques mécaniques. Toutefois l'utilisation des fibres aramides induit une forte tendance à la reprise d'humidité, laquelle peut atteindre 4% de la masse du compo- site. Cette propriété est tout-à-fait désavantageuse pour la construction des structures extérieures d'aéronefs, car, ainsi qu'on l'a mentionné précédemmnent, toute absorption ex- cessive d'eau peut occasionner de graves dégâts, en raison des contraintes extérieures de températures. 11 existe donc un besoin certain, pour assurer la longévité et la sécurité des structures extérieures, spécia- lement des aéronefs, de mettre au point des matériaux exempts de tels inconvénients, mais possédant néanmoins des propriétés au moins égales pour ce qui concerne la masse unitaire et les propriétés générales mécaniques. Ainsi, les composites verre/époxyde sont trop lourds, alors que les composites aramide/époxyde outre leur sensibilité à l'eau, présentent encore de mauvaises caractéristiques en compres- sion. La présente invention a pour but d'apporter une solution à ce problème en procurant un tissu à base de fi- bres, convenant en particulier pour la fabrication d'articles composites utilisables en tant que structures ex- térieures, caractérisé en ce qu'il comprend un mélange de: a) environ 45 à 75% en poids de fibres de verre texturées; b) environ 25 à 55% en poids de fibres de polyes- ter. Un tel tissu convient bien, par imprégnation avec des résines usuelles, avantageusement des résines époxydes, pour la réalisation d'articles, tels que des structures ex- térieures d'aéronefs, qui doivent résister notaimment aux conditions climatiques sévères d'utilisation. Le tissu selon l'invention permet une imprégnation excellente par la rési- ne, pour aboutir à des structures composites stratifiées dans lesquelles le support tissé est constitué d'un certain nombre de plis ou couches du tissu selon l'invention. Les articles ainsi obtenus conviennent parfaitement cornme struc- tures composites extérieures car ils possèdent toutes les propriétés avantageuses qui sont nécessaires pour lesdites structures, à savoir: l'aspect de surface, la masse, la ré- sistance aux chocs, la raideur, la résistance à la compres- sion dans les zones de fixation, le prix, et surtout une bonne résistance à l'humidité. La description qui suit il- lustre l'ensemble des caractéristiques avantageuses des ar- ticles selon l'invention. Le premier constituant du tissu selon l'invention consiste en des fibres de verre texturées. L'expression "texture" au sens de la présente description désigne une fi- bre de verre dont l'alignement de chaque filament est aléatoire. Dans la technique d'obtention des fibres de ver- re, on parle également de fibres de verre effilochées. Ce type de fibre est connu de l'homme du métier et peut être obtenu de manière connue par divers traitements. Les fibres de verre texturées mises en oeuvre dans le tissu selon l'invention sont continues ou discontinues. On préfère en général les fibres continues qui procurent les meilleurs ré- sultats mécaniques. Dans l'application prévue par l'invention, les fi- bres de verre texturées présentent de nombreux avantages par rapport aux fibres de verre non texturées: - les fibres de verre texturées permettent d'ob- tenir des articles présentant un meilleure état de surface, car elles possèdent une capacité d'absorption de résine net- tement plus élevée que les fibres de verre non texturées ou lisses; également les fibres de verre texturées,procurent un meilleur interface fibre/résine car elles réalisent une plus grande surface de contact avec la résine; - les tissus et articles à base de fibres de verre texturées ont une masse surfacique' plus faible, en raison de la structure gonflée desdites fibres; Les fibres de verre texturées présentent une ré- partition aléatoire des filaments, qui est favorable à la compensation des dilatations au sein des tissus et articles selon l'invention dans lesquels lesdites fibres sont mé- langées avec les fibres de polyester; au contraire les fi- bres de verre non texturées mélangées aux fibres de polyester peuvent provoquer des déformations lors du moulage des produits finis. - la drapabilité (ou déformabilité) des tissus à base de fibres de verre texturées est plus aisée. Les fibres de verre texturées ont un poids par unité de longueur qui peut varier dans d'assez larges limi- tes, en particulier de 11 à 126 tex (un tex représentant le nombre de grarrmmes par kilomètre de fibre). On a obtenu de bons résultats avec des fibres de verre de 68 tex environ. Le deuxième constituant du tissu selon l'invention consiste en des fibres de polyester. De telles fibres conviennent bien pour la fabrication des articles composites utilisables en tant que structures extérieures car elles possèdent une faible densité (de l'ordre de 1,1), un bon comportement à l'humidité, une bonne élongation à la rupture et un faible prix. On utilise le plus courarmment des fibres de polyester du type polytéréphtalate, de qualité non-feu ou haute ténacité, telles que celles disponibles sur le marché sous les dénominations "Tergal (Rhône-Poulenc), Dacron (Du Pont de Nemours) ou Diolen (Bayer). En général, les fi- bres de polyester utilisables ont des titres de 200 à 1500 décitex environ. Ainsi qu'on le montrera grâce à des exemples concrets, le tissu selon l'invention peut être conçu pour présenter une masse surfacique identique aux tissus en fi- bres d'aramide qui sont les plus utilisés actuellement et ont une masse de l'ordre de 170 g/m2. Les proportions relatives des deux constituants du tissu selon l'invention sont choisies en fonction des pro- blèmes particuliers à résoudre. Il convient en effet d'adopter un compromis compte-tenu des impératifs à respec- ter, quant à la masse unitaire et au prix notammrnent. Par conséquent la quantité de fibres de verre texturées qui est en général de 45 à 75% environ en poids, par rapport au poids total du tissu, est de préférence comprise entre 45 et % en poids environ. De manière correspondante la quantité de fibres de polyester qui est comprise en général entre 25 et 55% en poids par rapport au poids total du tissu est de préférence comprise entre 45 et 55% en poids. On a obtenu de bons résultats avec un tissu cons- titué d'un mélange fil à fil de verre texturé et de fils de polyester en quantités pondérales égales, soit 50% en poids. Selon une caractéristique complémentaire, le tissu selon l'invention peut comprendre également une certaine proportion, allant jusqu'à 30 % en poids du poids total de fibres d'aramide ou de carbone ou de fibres métalliques, telles que les fibres d'aluminium, celles-ci conférant de bonnes propriétés additionnelles de protection contre les phénomènes électriques extérieurs (foudre). Ainsi qu'on l'a dit précédemment, le tissu selon l'invention se prête particulièrement bien à une imprégna- tion par une résine, notamment une résine époxyde. Le taux d'imprégnation peut être élevé et en général il est de 30 à %, en particulier de 35 à 50% par rapport au poids total. La capacité élevée d'absorption de la résine par le tissu est favorable pour l'obtention d'un bon état de surface. Le tissu selon l'invention peut être directement utilisé comme support tissé pour structures sandwichs ou mo- nolithiques extérieures. La réalisation de telles structures est connue de l'hommne du métier. Les structures sandwichs de type nid d'abeilles permettent d'augmenter l'inertie du com- posite. On peut utiliser aussi des stratifiés comprenant plusieurs couches de tissus imprégnées de résine, ce qui correspond à des structures monolithiques. L'invention sera maintenant illustrée sans être aucunement limitée par les exemples qui suivent. EXENPLE 1 Dans cet exemple, on a tout d'abord démontré qu'un composite formé de fibres de verre texturées imprégnées de résine époxyde,possédait un très bon comportement mécanique, très comparable à celui d'un composite verre continu/résine époxyde à taux de fibres équivalent, soit 60% en poids. On a également fait porter la comparaison sur un composite aramide/résine époxyde. Les fibres d'aramide étaient celles mises sur le marché sous la dénomination "Keviar" type K181 ou K285, ayant une masse surfacique de 170 gr/m2. Dans chaque cas, la résine époxyde utilisée était la résine M14 de BROCHIER SA, adhésive et auto-extinguible de classe 120 C. Pour les essais, on a réalisé des éprouvettes de 3 mm d'épaisseur obtenues à partir d'un stratifié à 40% de ré- sine époxyde d'imprégnation et comportant, selon le cas, 10 ou 12 couches de tissu. Les résultats obtenus par les essais normalisés habituels sont rassemblés dans le tableau I. 2 6 1 4 0 4 5 TABLEAU I Composite Composite Composite verre texturé verre continu aramide /résine /résine /résine époxyde époxyde époxyde Résistance à la flexion (r[Pa) 420 500 300 Module de flexion (PPa) 23.000 24.500 23.000 Résistance au ci- caillement (PIPa) 53 47 30 Résistance à la compression (I'Pa) 380 400 230 Les titres respectifs des fibres étaient: fibres de verre texturées: 68 tex fibres de verre continues: 68 tex fibres d'aramide: 1140 deniers EXEI:PLE 2 Dans cet exemple, on a utilisé un mélange conforme à l'invention de: % en poids de fibres de verre texturées % en poids de fibres de polyester. On a tissé à partir de ce mélange un tissu ayant une masse surfacique nominale de 170 g/m. Les fibres de verre texturées étaient du type ET9, titre 68 tex. Les fibres de polyester étaient du type Diolen 550 ayant un titre de 96 tex. Pour la réalisation de la chalne, on a uti- lisé un mélange de fibres de verre texturées et de fibres polyester à raison de 28% en masse pour les premières et de 22% en masse pour les secondes. De méme pour la réalisation de la trame, on a utilisé les rmêmes fibres de verre textu- rées et de polyester avec une répartition en masses res- pectives de 28% et 22%. L'épaisseur "Palmer" est de l'ordre de 0,20mnm. Le tissu ci-dessus a été imprégné d'une résine époxyde de type M14 à un taux de 50% en poids. On a réalisé des éprouvettes de 3 mm d'épaisseur à partir d'un stratifié composite comportant un tel support tissé et on a mesuré leurs propriétés mécaniques. Les résultats des essais appa- ralssent au tableau II. TABLEAU Il Résistance à la flexion (vMDa) 330 Mvbdule de flexion (4Pa) 12.000 Résistance au cisaillement (vPa) 44 Résistance à la compression (vPa) 280 On voit ainsi que le composite hydride verre texturé/polyester à 50% en masse possède des propriétés équivalentes à celles d'un composite à base de fibres d'aramide du type testé à l'exemple 1. On a obtenu des résultats équivalents en faisant varier les proportions de fibres polyester, dans le tissu mélangé selon l'invention, entre 25 et 55% en masse environ. Les exemples qui précèdent montrent que l'homme du métier peut choisir les proportions de fibres de verre tex- turées et de fibres de polyester en fonction des caractéris- tiques désirées des tissus et des articles imprégnés comportant de tels tissus. De tels tissus conviennent parfaitement pour la fabrication d'articles composites utilisables en tant que structures sandwichs ou monolithiques extérieures, surtout pour les aéronefs. REVEND ICAT IONS 1. Tissu à base de fibres, convenant en parti- culier pour la fabrication d'articles composites utilisables en tant que structures extérieures, caractérisé en ce qu'il comprend un mélange de: a) environ 45 à 75% en poids de fibres de verre texturées; b) environ 25 à 55% en poids de fibres de polyes- ter. 2. Tissu selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres de verre (a) sont continues. 3. Tissu selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres de verre (a) ont un poids par unité de longueur allant de 11 à 126 tex, en particulier de 68 tex environ. 4. Tissu selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fibres de polyester (b) sont du type polytéréphtalate, de qualité non-feu ou haute ténacité ayant des titres, notarmment, de 200 à 1500 décitex environ. 5. Tissu selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la quantité des fibres (a) de verre texturées est de 45 à 55% en poids et, de manière correspondante, la quantité de fibres (b) de polyester est de 55 à 45% en poids par rapport au poids total du tissu. 6. Tissu selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce qu'il contient en outre, une pro- portion allant jusqu'à 30% en poids du poids total de fibres d'aramide ou de carbone ou de fibres métalliques, telles que les fibres d'aluminium, celles-ci conférant de bonnes pro- priétés additionnelles de protection contre les phénomènes électriques extérieurs (foudre). 7. Article caractérisé en ce qu' il comprend un tissu selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et une résine d'imprégnation. 8. Article selon la revendication 7, caractérisé en ce que la résine d'imprégnation est une résine époxyde. 9. Article selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le taux de résine d'imprégnation est de 30 à 60%, en particulier de 35 à 50% du poids total de l'article. 10. Application de l'article selon l'une quel- conque des revendications 7 à 9, cormmne structure extérieure, en particulier pour les aéronefs.