Brevet FR2630545A1 — publié le 19891027

PIECE DE FORME ARMEE DE FIBRES DE CARBONE L'invention concerne une pièce de forme armée de fibres, com- prenant des conducteurs électriques enrobés, dont les extrémités sont reliées, de façon conductrice, avec des éléments électriques de mise en contact pour le raccordement d'une source de courant et/ou d'un appareil de mesure de la tension. Les fibres de carbone ont une résistance élevée à la trac- tion etsont de préférence, employées comme fibres de renforcement pour des pièces de forme, par exemple pour des stratifiés en plastique. Jusqu'a présentil n'ya pas deméthode d'essai non destructrice indi- quant la défaillance des fibres de carbone, portant la charge, dans un matériau composite armé de fibres. La recherche de la défaillance des fibres n'est possible que par des méthodes d'essai destructrices, par exemple par micrographie ou par pyrolyse de la matrice ou par des procédés indirects, à savoir l'emploi de conducteurs optiques supplémentaires, en fibres de verre, dans la pièce de forme. Les méthodes d'eLsai destructrices présentent l'inconvénient que la pièce de forme devient inutilisable et ne peut plus être mise en oeuvre. L'installation de conducteurs optiques supplémentaires dans la pièce de forme se traduit par une augmentation notable du coût de la pièce de forme. L'invention a donc pour but de créer une pièce de forme armée de fibres de carbone dans laquelle on puisse vérifier l'état des fibres sans endommager la pièce de forme. Selon l'invention, on atteint ce but par le moyen que l'arma- ture de fibres est constituée de fibres de carbone; et que plusieurs de ces fibres de carbone, qui portent la charge, sont respective- ment relié'es avec l'un des éléments de mise en contact. Dans le cas de la pièce conforme à l'invention, les extré- mités des fibres sont reliées avec des éléments, électriquement conducteurs, de mise en contact. On peut donc envoyer à tout moment un courant électrique dans les fibres de carbone et mesurer la résistance des fibres dans la direction longi- tudinale des fibres. De préférence, cette mesure de la résistance se fait avec un courant continu, étant précisé que l'on utilise une source d'intensité constante. La chute de tension qui apparait aux extrémités des fibres de carbone est proportionnelle à la.résistance électrique. Les modifications de cette résistance sont directement fonction de la section totale de toutes les fibres saisies et donc également du nombre de fibres parcourues par le courant. Une modi- fication de la résistance doit donc être attribuée à des défaillances de fibres. Du fait que la résistance électrique des fibres est fonc- tion de la température, il faudrait corriger la valeur mesurée de la résistance en déterminant en même temps la température de la pièce de forme. De préférence ceci se fait sur la base de courbes d'étalonnage que l'on établit auparavant pour les matériaux armés de fibres de carbone à étudier. La résistance électrique des matériaux armés de fibres de carbone dépend de la longueur des fibres, du diamètre des fibres, de leur conductivité spécifique, de l'inten- sité du courant électrique et de la température. Pour éviter un échauffement de l'échantillon ou de la pièce de forme à étudier du fait du passage du courant, il faudrait procéder à une limitation de l'intensité. Ceci se fait de façon simple en utilisant une source d'intensité constante. Un avantage particulier de la pièce de forme conforme à l'in- vention réside en ce que l'on peut surveiller les fibres de carbone sans destruction de la pièce. Un contr8le est donc possible même w à l'état installé, ou lors de la mise en oeuvre conforme aux pres- criptions,de la pièce de forme. S'il s'agit, en fait de pièce de forme, d'une pièce d'avion, par exemple d'une aile, le contrôle peut se faire en permanence, ou par intervalles, à partir du cockpit, sans que la dépose de la pièce de forme soit nécessaire. La mise en contact des fibres avec les éléments de mise en contact nécessite beaucoup de soins pour garantir que, autant que pos- sible, toutes les extrémités des fibres soienten liaisonélectrique avec l'élément de mise en contact. Dans ce but on utilise une bra- sure, appliquée à l'état liquide, d'un produit bon conducteur, par exemple d'argent conducteur, qui entoure complètement les extrémités libres des fibres et les enrobe. Mais la mise en contact peut égale- ment se faire par métallisation sous vide ou par dépôt par pulvéri- sation d'un matériau électriquement conducteur. Pour faciliter le raccordement électrique, les extrémités des fibres peuvent dépasser de la pièce de forme. Dans ce cas on fabrique la pièce de forme de façon que les fibres dépassent de la matrice. Une autre possibilité réside en ce que les ex- trémités des fibres soient libérées par traitement mécanique de la matrice, de sorte qu'elles dépassent de la matrice. La pièce de forme, équipée des éléments de mise en contact selon l'invention, permet le contr8le de l'armature de fibres non seulement pendant l'emploi, conforme aux prescriptions, de la pièce de forme, mais également lors de sa fabrication. C'est ainsi qu'il est, par exemple, possible de régler la température de fabrication de la pièce de forme par mesure de la résistance électrique pen- dant son durcissement dans une presse ou dans un autoclave. Un autre mode d'emploi des éléments de mise en contact con- siste à chauffer les fibres de carbone au moyen d'uncourant élec- trique contrôlé pour chauffer localement le matériau de la matrice entourant les fibres. On peut en même temps yrégler l'échauffement par mesure du passage du courant dans les fibres de carbone ou par mesure de la chute de tension aux bornes de ces fi- bres. L'échauffement de la pièce de forme se fait à l'intérieur et non de l'extérieur par échange thermique lié à la forme et par l'intermédiaire de pièces s'opposant au flux thermique. L'infil- tration de produit fondu constitué du matériau de la matrice est possible dans le cas des stratifiés armés de fibres de carbone, même dans le cas des tissus de fibres de carbone, en ce sens que l'onfait passer dans les fibres un courant électrique qui les chauffe et fait fon- dre le matériau de la matrice voisin, de préférence thermoplastique, de sorte que le matériau de la matrice peut couler entre les fibres et les enrober complètement. Le matériau de la matrice peut s'y pré- senter sous forme de feuilles, placées entre les couches de strati- fiés, ou sous forme pulvérulente. Il est même possible d'augmenter, par chauffage électrique, les températures des fibres de carbone de façon à pouvoir utiliser également des matériaux métalliques, comme l'aluminium ou le magnésium, comme matériau de la matrice. Dans le cas de la pièce de forme conforme à l'invention, une mesure de l'allongement peut également se faire par mesure de l'intensité ou par mesure de la tension. On explique en détail ci-dessous des exemples de réalisation de l'invention en se référant aux dessins. La figure 1 est une représentation schématique d'une pièce de forme sous forme d'une aile d'avion dont on surveille en perma- nence l'intégrité de l'armature de fibres. La figure 2 est une représentation en perspective de la liaison d'un élément de mise en contact électrique avec lesextrémités des fibres. La figure 3 représente une pièce de forme avec les extrémités des fibres qui dépassent. La figure 4 est un diagramme expliquant la façon dont la contrainte mécanique ou la résistance électrique est fonction de l'allongement des fibres. La pièce de forme 10 représentée sur la figure 1 est une aile d'avion constituée de plusieurs couches de stratifiés. Au moins l'une des couches de stratifiés contient des fibres de carbone diri- gées longitudinalement, dans la direction de la double flèche 11. Aux extrémités de la pièce de forme 10, les fibres sont électrique- ment reliées aux éléments 12 de mise en contact électrique. A chaque extrémité, les éléments 12 de mise en contact sont reliées entre eux et sont reliés à une source d'intensité constante 13 qui fait passer une intensité constante, en direction longitudinale, dans les fibres de la pièce de forme 10. En outre, aux deux extrémités de la pièce de forme 10, les éléments 12 de mise en contact sont reliés à un voltmètre 14 qui mesure la chute de tension provoquée par le passage à travers les fibres de carbone. La figure 2 représente une pièce de forme 10 dans laquelle la direction des fibres de carbone est également repérée par une double flèche 11. Les extrémités lla-des fibres viennent dépasser de la face frontale de la matrice de résine 16 du fait que 5. la matrice de résine 16 est traitée par meulage, polissage, atta- que chimique ou analogue, de sorte que des différences de topogra- phie apparaissent et que les extrémités lla des fibres dépassent hors de la matrice. La mise en contact des extrémités lla des fi- bres se fait au moyen d'une brasure 17, appliquée à l'état liquide, qui coule autour de l'extrémité des fibres, les enrobe complètement et durcit ensuite. La couche 17 peut être un agent conducteur appliqué à l'état liquide au moyen d'un solvant et durci par va- porisation du solvant. La couche 17 est reliée, par l'intermédiaire d'un rebord 17a, à l'élément métallique 18 de mise en contact au- quel est brasé un câble de raccordement 19. En variante, la couche 17 peut être reliée avec les fibres, de façon conductrice et adhé- rente, par dépôt par vaporisation (métallisation sous vide). La figure 3 représente une autre possibilité de mise en contact de fibres orientées dans la direction de la charge ou de couches de fibres. La pièce de forme 10 est ici un stratifié cons- titué de plusieurs couches 20, 21, 22 qui contiennent des fibres ou des tissus de fibres parallèles. Dans le cas du présent exemple de réalisation, les fibres de carbone 23 de la première couche 20 sont orientées dans la direction de la charge, tandis que les fibres de la couche 21 située par-dessus sont orientées dans la direction transversale et que les fibres de la troisième couche 22 le sont en diagonale. Les extrémités des fibres 23, placées dans la direc- tion principale de la charge, dépassent hors de la pièce de forme 10 et sont donc libérées pour la mise en contact. La liaison de ces extrémités de fibres avec l'élément de mise en contact se fait de la même façon que dans le cas de la figure 2. La figure 4 représente la modification de la résistance élec- trique d'une pièce de forme armée de fibres de carbone unidirection- nelles en fonction de l'allongement et de la contrainte. En cas de ruptures de fibres, on peut voir un accroissement net et brutal de la résistance électrique. Jusqu'à un allongement d'environ 1,2%, on n'observe pas de défaillance de fibres. Néanmoins un accroissement de la résistance électrique apparait avec une contrainte/un allonge- ment du matériau croissant. En surveillant la résistance électrique, on peut donc très facilement déterminer des ruptures de fibres et on peut même déterminer préventivement si une rupture de fibres est immédiatement imminente pour une plus forte charge. REVENDICATIONS 1. Pièce de forme armée de fibres, comprenant des conduc- teurs électriques enrobés, dont les extrémités sont reliées, de fa- çon conductrice, avec des éléments électriques (18) de mise en con- tact pour le raccordement d'une source de courant (13) et/ou d'un appareil de mesure de la tension (14), caractérisée en ce que l'armature de fibres est constituée de fibres de carbone; et en ce que plusieurs de ces fibres de carbone, qui portent la charge, sont respectivementreliéesavec l'un des élé- ments de mise en contact. 2. Pièce de forme selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'entre les extrémités (11la) des fibres et les éléments (18) de mise ên contact se trouve une brasure (17Y appliquée à l'état liquide ou par métallisation sous vide puis durcie. 3. Pièce de forme selon la revendication 1 ou 2, caracté- risée en ce que les extrémités des fibres (23) dépassent de la matrice de la pièce de forme (10). 4. Pièce de forme selon la revendication 1 ou 2 caracté- risée en ce que les extrémités (lia) des fibres sont libérées par traitement mécanique ou chimique et dépassent la matrice (16) de la pièce de forme (10). 5. Pièce de forme selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les fibres de carbone sont parcourues par un courant chauffant.