Brevet FR2624426A1 — publié le 19890616

Structure et procédé pour renforcer une structure composite. La présente invention concerne des structures composites, et plus particulièrement l'amélioration de la résistance et de la tolérance pour l'endommagement de structures composites. Les structures composites présentent diverses propriétés n'existant pas dans leurs contre-parties mé- talliques, et sont utilisées sur une grande échelle dans des applications aérospatiales, automobiles, marines, etc. La plupart des techniques de fabrication ordinaires des composites conduisent à une structure stratifiée en couches ou plis individuels constitués d'un renfort de fibres dans une matrice de résine, la résine de la ma- trice étant relativement peu résistante en l'absence du renfort. Les propriétés inter-laminaires d'une telle structure stratifiée sont faibles par comparaison avec les propriétés du composite dans Le plan. Par exemple, la région faible entre les couches est une région de propagation aisée des fissures. Les fissures peuvent être causées par des effets thermiques, des chocs ou la présence de trous ou de bords. La destruction structura- le peut souvent être attribuée à une fissuration inter- couche. Les panneaux endommagés par chocs, soumis à une charge de compression ou de flexion, se comporteront souvent d'une manière catastrophique. De même, la pré- sence de ces fissures réduit gravement la résistance en compression du stratifié et peut conduire à une délami- nation et à une rupture précoce. Un certain nombre de procédés pour améliorer la résistance de ces structures composites ont été étudiés, ils comprennent l'utilisation du piquage, de l'agrafage et de l'aiguilletage. Ces techniques tendent à endomma- ger lés renforts principaux et provoquent une réduction des propriétés dans le plan. En outre, le stratifié non durci doit être retiré de l'outil de superposition des couches et être envoyé à la machine de piquage ou d'ai- guilletage. Cette opération peut provoquer des dommages supplémentaires, en particulier si le stratifié est de grandes dimensions ou de forme compliquée. Conformément à un aspect de l'invention, il est fourni une structure de renforcement translaminaire qui permet un renforcement localisé dans la direction Z de régions critiques d'un empilement terminé, soit pour la structure composite seule, soit conjointement avec des structures de cordons de raidissement, etc. La structure de renforcement comprend un corps de matière décomposa- ble thermiquement qui a des surfaces pratiquement oppo- sées, plusieurs éléments de renforcement dans le corps, qui s'étendent en général perpendiculairement à une face du corps, et une structure intensifiant la pression sur l'autre face opposée du corps pour appliquer une force d'entrainement aux éléments de renforcement pour l'in- sertion dans la structure composite au fur et à mesure que le corps est soumis à une température élevée et se décompose. Le volume des éléments de renforcement dans la matière thermiquement décomposable est de préférence dans l'intervalle de 0,5 à 5 %, les éléments de renfor- cement sont analogues à des fibres et ils ont des dimen- sions en coupe transversale dans l'intervalle de 0,05 à 0,5 mm, et chaque élément de renforcement à une longueur qui est au moins dix fois sa dimension en coupe trans- versale. On préfère également que les éléments de ren- forcement aient une configuration en coupe transversale généralement uniforme sur leur longueur, et s'étendent pratiquement sur toute la distance à travers le corps de matière décomposable thermiquement, entre ses faces op- posées. Dans des modes de réalisation particuliers, la matière décomposable thermiquement est une matière ana- logue à une mousse qui est stable et à une rigidité ap- préciable à la température ambiante, et elle est choisie de préférence dans la classe constituée des chlorures de polyvinyle, des polyesters, des polyéthylènes, des poly- propylènes, des polyuréthanes, des polystyrènes, des acétates de cellulose, des polyimides, des silicones et des polybenzimidazoles. La matière des éléments de ren- forcement a de préférence une rigidité suffisante pour pénétrer la structure composite sans flambage et elle peut être constituée d'une matière élémentaire telle que l'aluminium, le bore, le graphite, le titane ou le tung- stène; d'une céramique telle que le carbure de sili- cium, l'oxyde d'aluminium ou le nitrure d'aluminium; d'un polymère rigide tel qu'un polymère phénolique, un polyimide ou un époxy; ou d'un alliage ou d'un composi- te de ces matières, des matières particulièrement pré- férées comprenant le bore et le carbure de silicium. Lors de l'utilisation, une ou plusieurs structu- res de renforcement sont appliquées aux emplacements dé- sirés sur un composite non durci à renforcer, et le com- posite auquel sont appliquées les structures de renfor- cement est soumis à un cycle de température et de pres- sion, par exemple dans un autoclave. Une pression et une température élevées sont appliquées au composite et à la structure de renforcement au fur et à mesure que le com- posite est durci, la matière du corps thermiquement dé- composable se décompose ou s'effondre, et les éléments de renforcement sont poussés dans le composite par la pression agissant sur la structure d'intensification de la pression. Après durcissement, le-résidu de la struc- ture de renforcement est retiré et les extrémités des éléments de renforcement faisant saillie, s'il y en a, sont meulées ou soumises à un autre traitement de finis- sage au ras de la surface du composite. Il existe de préférence une corrélation entre la température d'effon- drement ou de décomposition de la matière thermiquement décomposable et la température de viscosité minima de la résine de la matrice préimprégnée. Dans un procédé préféré, la structure composite comprend une rangée de fibres de renforcement dans une résine de matrice choisie parmi les époxys, les polyimi- des, les bismaléimides, les résines phénoliques, les po- lycyanurates, les polyesters et les esters vinyliques; la structure de renforcement est appliquée sur une face du composite, et la structure de renforcement et la structure composite sont soumises à un cycle de traite- ment à une température et sous une pression élevées. Les particularités du cycle de traitement sont fonction du type de la résine de matrice. Un cycle de traitement ty- pique comprend une augmentation progressive ou par pa- liers de la température à 90-200 C (200-400 F) suivie d'un intervalle de maintien suffisant pour provoquer la désagrégation de la matière du corps de mousse, séquence au cours de laquelle les éléments de renforcement sont insérés dans le composite. La température élevée peut alors être maintenue ou encore augmentée pendant une durée suffisante pour provoquer le durcissement de la matrice de résine. Une pression supplémentaire peut être appliquée en permanence ou sélectivement pendant diver- ses périodes au cours du cycle de traitement pour conso- lider le stratifié composite et augmenter l'action de pénétration des éléments de renforcement due à la struc- ture d'intensification de la pression. Une séquence de traitement particulière comprend l'application d'un vide et d'une pression externe à l'assemblage composite- structure de renforcement, avec un intervalle initial de l'augmentation de la température à une vitesse d'au moins 0,50C (1 F) par minute, un premier intervalle de maintien d'au moins 10 minutes à une température d'au moins environ 90 C (200 F), un second intervalle d'aug- mentation de la température à une vitesse d'au moins 0,50C (10F) par minute, et un second intervalle de main- tien ultérieur d'au moins 30 minutes à une température d'au moins 1500C (300 F), tel qu'après que les éléments de renforcement ont été insérés dans la structure compo- site, le durcissement de la résine de la matrice est poursuivi. Le composite renforcé est alors refroidi, le résidu de la matière thermiquement décomposable effondré est retiré de la structure composite et les parties ter- minales en saillie des éléments de renforcement, s'il y en a, sont éliminées, par exemple par meulage, pour don- ner une surface lisse au composite durci. D'autres caractéristiques et avantages ressorti- ront au fur et à mesure des progrès de la description ci-après de modes de réalisation particuliers, conjoin- tement avec les dessins, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'une partie de la structure de renforcement conforme à l'invention; - la figure 2 illustre la mise en place de structures de ruban de renforcement sur un empilement à renforcer; - la figure 3 est un diagramme temps-températu- re d'une séquence de traitement; - les figures 4 à 7 sont une série de schémas représentant une séquence de traitement; et - la figure 8 est une vue schématique en coupe d'un autre mode de réalisation. La structure de renforcement 10 représentée dans la figure 1 comprend un corps 12 de mousse de chlorure de polyvinyle (Divinycell HTl1O) qui a une densité d'en- viron 7 lb/ft3 (113 kg/m3) et une épaisseur d'environ 8 mm. Pour augmenter la souplesse, le corps 12 peut être découpé en de multiples blocs adjacents. Une rangée de filaments de bore 14 (ayant chacun environ 0,1 mm de diamètre et 8 mm de long) est disposée dans le corps 12 et s'étend généralement perpendiculairement à la surface plane 16. Les espacements X et Y entre les fibres 14 sont d'environ 1,5 mm. Sur la surface 16 du corps se trouve une feuille d'acier inoxydable 20 intensifiant la pression, d'une épaisseur d'environ 0,1 mm et une feuil- le de démoulage 22 en PTFE est disposée sur la face op- posée 18.- Les structures de renforcement 10 sous la forme d'éléments en forme de ruban allongés sont disposées aux emplacements désirés sur un empilement composite de pré- imprégné graphite-êpoxy 30 qui est disposé sur l'outil de support 32 comme l'indique la figure 2. Le préimpré- gné 30 (époxy AS4/3501-6) a un cycle de traitement du type indiqué dans la figure 3. Le préimprégné 30 avec les structures de renfor- cement 10 est assemblé sur l'outil de support 32 comme l'indique schématiquement la figure 4 avec un raccorde- ment au vide 36, un sac de film 38 renfermant une feuil- le de démoulage 26, un tissu de drainage 24 et un barra- ge de liège 28, ainsi que le préimprégné 30 avec les structures de renforcement 10 et l'outil de support 30, et est placé dans l'autoclave 34. Dans la séquence de traitement, comme il est indiqué dans la figure 3, on fait initialement le vide dans le sac 38 par l'orifice d'évacuation 36 jusqu'à une pression de 63 cm (25 in- ches) de mercure, puis on applique une pression externe, comme il est indiqué par les flèches 40, d'environ 6 kg par cm2 (quatre-vingt cinq lbs/in2). La température de l'autoclave est élevée progressivement à la vitesse de 1,5 à 3 degrés Cesius (3 à 5 degrés Fahrenheit) par mi- nute, comme il est indiqué en 42 dans la figure 3, pour élever la température à 115 C (240 F) tout en maintenant la pression de l'autoclave à 39 kg (85 livres) et le vi- de du sac aux environs de 63 cm (25 lbs) de mercure. La température, la pression et le vide sont maintenus pen- dant environ 1 heure (intervalle 44). Lorsque la matière de la matrice d'époxy se rapproche de sa viscosité mini- male, le corps vinylique 12 commence à se décomposer et la pression de l'autoclave agissant sur la feuille d'in- tensification de la pression 20 enfonce les fibres de bore 14 à travers les couches de démoulage 22, 26 et le tissu de drainage 24 et dans le stratifié 30 dans la di- rection Z (perpendiculaire à la surface 16), comme il est indiqué dans la figure 5. Une application de pres- sion continue pousse les fibres 14 à travers le strati- fié 30 jusqu'à ce qu'elles touchent l'outil de support 32. Après un intervalle de maintien 44, la température de l'autoclave est à nouveau élevée à la vitesse de 1,5- 3 degrés Celsius (3-5 degrés Fahrenheit) par minute à C (350 F) (comme il est indiqué en 46) et la tempé- rature et la pression sont maintenues pendant un inter- valle de durcissement 48 pendant environ 2 heures pour durcir le stratifié d'époxy. La température de l'auto- clave est alors abaissée à la vitesse d'environ 3 degrés Celsius (5 degrés Fahrenheit) par minute (comme il est indiqué en 50) pour réduire la température du stratifié à 93 C (200 F). La pression de l'autoclave et le vide sont relâchés et le composite renforcé durci est retiré de l'autoclave et sorti du sac comme il est indiqué dans la figure 6. Après élimination du résidu de matière plastique 12 et des couches 20, 22, 24 et 26 du strati- fié durci 30, les extrémités mises à nu 52 des éléments de renforcement 14 sont arasées avec un disque abrasif 54, comme l'indique la figure 7. Des essais sur des doubles poutres consoles mon- trent que les fibres de renforcement 14 permettent une augmentation significative de la vitesse critique de li- bération du travail de déformation. Des photomicrogra- phies au microscope électronique à balayage d'échantil- lons renforcés montrent que la pénétration par les fi- bres de bore 14 n'endommage pas les fibres du stratifié. Aucune réduction significative de la résistance à la traction dans le plan et de la résistance au cisaille- ment d'interlaminaire n'a été observée entre les strati- fiés renforcés et non renforcés. Les stratifiés renforcés à seize ou' trente-deux plis ont été soumis à des essais de choc et de compres- sion. Les résultats d'essai indiquent une amélioration significative des structures composites. Ce renforcement dans la direction Z peut être utilisé pour renforcer les régions critiques et susceptibles de se fissurer d'une structure. Dans un autre mode de réalisation représenté dans la figure 8, les fibres de renforcement 14' sont insérées dans des régions critiques et ancrent les cor- dons de raidissement du composite 56 et 58, qui sont durcis en même temps que le stratifié composite 60. Bien qu'on ait montré et décrit des modes de réalisation particuliers de l'invention, diverses va- riantes de la forme des structures de renforcement, des matériaux de construction et des procédés de traitement apparaîtront aux spécialistes, par conséquent l'inven- tion n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ou aux détails de celui-ci, et l'on peut s'en écarter en restant dans l'esprit et dans le domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Structure de renforcement translaminaire pour le renforcement dans la direction Z d'une structure com- posite comprenant un corps de matière décomposable thermique- ment qui a des faces opposées, plusieurs éléments de renforcement dans ce corps, s'étendant d'une manière générale perpendiculai- rement & l'une de ces faces, et une structure d'intensification de la pres- sion sur la face opposée du corps pour appliquer une force de poussée à ces éléments de renforcement pour l'insertion dans une structure composite lorsque ce corps de matière décomposable thermiquement est soumis à une température élevée. 2. Structure de renforcement suivant la revendi- cation 1, dans laquelle cette matière thermiquement dé- composable est une matière analogue à une mousse, qui est stable et a une rigidité appréciable à la températu- re ambiante, cette matière analogue à une mousse appor- tant à ces éléments de renforcement une contrainte élas- tique suffisante pour empêcher le flambage au cours de. l'insertion dans cette structure composite. 3. Structure de renforcement suivant l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, dans laquelle cette matière thermiquement décomposable est choisie dans la classe constituée des polychlorures de vinyle, des poly- esters, des polyéthylènes, des polypropylènes, des poly-' uréthanes, des polystyrènes, des polyimides, des acéta- tes de cellulose, des silicones et des polybenzimidazo- les. 4. Structure de renforcement suivant l'une quel- conque des revendications précédentes, dans laquelle ces éléments de renforcement ont une rigidité suffisante pour pénétrer dans cette structure composite sans flam- bage. 5. Structure de renforcement suivant l'une quel- conque des revendications précédentes, dans laquelle la matière de ces éléments de renforcement est choisie dans la classe constituée de l'aluminium, du bore, du carbone ou du graphite, du titane, du tungstène, du verre, du carbure de silicium, de l'oxyde d'aluminium, du nitrure d'aluminium, des résines phénoliques rigides, des poly- imides rigides, des époxys rigides et des composites de ces matières. 6. Structure de renforcement suivant l'une quel- conque des revendications précédentes, dans laquelle le volume de ces éléments de renforcement dans ce corps de matière thermiquement décomposable est dans l'intervalle de 0,5 à 5 %. 7. Structure de renforcement suivant l'une quel- conque des revendications précédentes, dans laquelle cette structure d'intensification de la pression est une feuille d'environ 0,01 à 0,5 mm d'épaisseur, qui est fi- xée sur l'autre de ces faces opposées du corps. 8. Structure de renforcement suivant l'une quel- conque des revendications précédentes, dans laquelle ces éléments de renforcement ont une dimension en coupe transversale dans l'intervalle de 0,05 à 0,5 mm, et cha- cun de ces éléments de renforcement a une longueur qui est moins dix fois cette dimension en coupe transversa- le. 9. Structure de renforcement suivant l'une quel- conque des revendications précédentes, dans laquelle ces éléments de renforcement ont une configuration en coupe transversale pratiquement uniforme sur leur longueur, et s'étendent pratiquement sur toute la distance à travers ce corps de matière polymère entre ces faces opposées. 10. Procédé de renforcement dans la direction Z d'une structure composite comprenant les stades de fourniture d'une structure composite qui com- prend une rangée de fibres de renforcement dans une ma- trice de résine, application de la structure de renforcement à une face de ce composite, cette structure de renforce- ment comprenant un corps de matière thermiquement décom- posable qui a des faces opposées, plusieurs éléments de renforcement dans ce corps qui s'étendent dans une di- rection généralement perpendiculaire à l'une de ces faces, et une structure d'intensification de la pression sur la face opposée du corps pour appli- quer une force de poussée à ces éléments de renforce- ment, et application à cette structure-de renforcement et à cette structure composite d'une température et d'une pression élevées pour insérer ces éléments de ren- forcement dans cette structure composite, tandis que cette matière thermiquement décomposable s'effondre sous l'influence de cette température et cette pression éle- vées. 11. Procédé de la revendication 10, dans lequel la température d'effondrement de cette matière thermi- quement décomposable est-en corrélation avec la tempéra- ture de viscosité minima de cette résine de matrice pen- dant que cette résine de matrice durcit. 12. Procédé suivant l'une des revendications 10 ou 11, dans lequel ces éléments de renforcement ont une configuration en coupe transversale généralement unifor- me sur leur longueur, et s'étendent pratiquement sur toute la distance à travers ce corps de matière thermi- quement décomposable entre ces faces opposées. 13. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 10 à 12, dans lequel cette matière thermiquement décomposable est choisie dans la classe constituée des polychlorures de vinyle, des polyesters, des polyéthylè- nes, des polypropylènes, des polyuréthanes, des polysty- rènes, des polyimides, des acétates de cellulose, des silicones et des polybenzimidazoles; cette résine de matrice est choisie dans la classe constituée des épo- xys, des polyimides, des bismaléimides, des résines phé- noliques, des polycyanurates, des polyesters et des es- ters vinyliques; et la matière de ces éléments de ren- forcement est choisie dans la classe constituée de l'aluminium, du bore, du carbone ou du graphite, du ti- tane, du tungstène, du verre, du carbure de silicium, de l'oxyde d'aluminium, du nitrure d'aluminiumn, des rési- nes phénoliques rigides, des polyimides rigides, des époxys rigides; et des composites de ces matières. 14. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 10-13, comprenant en outre les stades consistant à éliminer le résidu de la matière décomposable thermi- quement effondrée de cette structure composite, puis à éliminer les portions therminales en saillie de ces élé- ments de renforcement éventuellement présentes, pour donner une surface lisse à ce composite renforcé durci. 15. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 10 à 14, comprenant en outre les stades consis- tant à placer cette structure de renforcement et cette structure composite dans une structure d'autoclave dans laquelle cette structure de renforcement et cette struc- ture composite sont soumises à des forces de pression et de vide combinées au cours d'un cycle thermique qui com- prend une augmentation initiale de la température suivie d'un intervalle de maintien au cours duquel cette matiè- re thermiquement décomposable s'effondre et ces éléments de renforcement pénètrent dans cette structure composite et un intervalle ultérieur suffisant pour provoquer le durcissement de cette résine de matrice. 16. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 10 à 15, dans lequel cette augmentation initiale de température est effectuée à une vitesse d'au moins environ 0,5'C (1 F) par minute, cet intervalle de main- tien a une durée d'au moins 10 minutes à une température d'au moins environ 93'C (200 F) et au cours de cet in- tervalle ultérieur, ces structures de renforcement et ces structures composites sont soumises à un second in- tervalle d'augmentation de la température à une vitesse d'au moins environ 0,51C (iF) par minute, et à un se- cond intervalle de maintien d'au moins 30 minutes à une température d'au moins environ 150C (300"F). 17. Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 10 à 16, dans lequel ces éléments de renforce- ment ont une configuration en coupe transversale généra- lement uniforme sur leur longueur, et s'étendent prati- quement sur toute la distance à travers ce corps de ma- tière thermiquement décomposable entre ces faces oppo- sées, ces éléments de renforcement ont une dimension en coupe transversale dans l'intervalle de 0,05 à 0,5 mm, et chacun de ces éléments de renforcement à une longueur qui est au moins dix fois sa dimension en coupe trans- versale, le volume de ces éléments de renforcement dans ce corps de matière décomposable thermiquement est dans l'intervalle de 0,5 à 5 %, et la température d'effondre- ment de cette matière décomposable thermiquement est en corrélation avec la température de viscosité minima de cette résine de matrice lorsque cette résine de matrice durcit.