Brevet FR2632244A1 — publié le 19891208

L'invention concerne des produits composites : métal - résine - fibres tels que barres, tubes, cônes, etc... en vue d'applications structurales. On connaît des éléments de structure constitués d'un tube métallique externe renforcé par un composite interne constitué de fibres longitudinales enrobées dans une résine. Un tel composite est décrit par exemple dans les demandes de brevet GB-A-2078338 ou FR-A-2569187. On connaît également des tubes métalliques renforcés par fibres bobinées (circulairement, longitudinalement ou en hélice) extérieurement et imprégnés de résine. Un tel composite est décrit par exemple dans la demande de brevet GB-A-2189862. De tels éléments structuraux tentent de rassembler les avantages des matériaux métalliques et composites à matrice organique renforcés par fibre en évitant les inconvénients correspondants. Les inconvénientS sont, essentiellement en vue des applications structurales, en particulier dans le domaine aersspatiai; les suivants: Pour les constituants métalliques - faible module d'Young - faible résistance mécanique - grand coefficient de dilatation thermique - densité élevée Pour les constituants résine + fibres - reprise en eau - mauvaise résistance à l'abrasion, l'usure ou au choc - plasticité très faible - difficulté d'assemblage (mécanique, par soudage, etc...) - mauvaise résistance aux rayonnements - anisotropie marquée. Mais les procédés utilisés jusqu'ici nécessitent le positionnement des fibres dans le complexe à former avant injection de la résine, ce qui représente un travail long, délicat et fastidieux. On connaît également des produits tubulaires composites constitués d'un tube externe ou interne sur lequel sont enroulées une ou plusieurs couches de matières plastiques renforcées par des fibres (voir US-A-4131701 ou US-A-4214932). Cependant, ces produits ne présentent pas sur leurs faces externes finales un matériau de même nature, ce qui constitue un inconvénient lors de l'emploi, par exemple en ce qui concerne l'un ou l'autre des groupes d'inconvénients mentionnés ci-dessus. La méthode selon l'invention se propose donc d'obtenir un produit présentant une (ou des) surface(s) externe(s) de même nature (métallique ou matière organique et/ou minérale), qui permet d'éliminer les inconvénients signalés ci-dessus. Le produit selon l'invention est donc constitué au moins en partie de couches superposées formées à partir d'un ensemble constitué d'une feuille ou bande métallique et d'une couche composite plane résine + fibres, adjacente, cet ensemble étant enroulé sur lui-même en spirale à spires jointives, sous forme d'un tube, d'une barre pleine,d'un cône ou de toute autre surface développable; l'enroulement peut être effectué soit sur un noyau métallique central (mandrin d'enroulement) plein et se présentera alors sous forme d'une barre pleine, soit sur un tube métallique interne. Le mandrin d'enroulement peut faire partie (ou non) du produit final. Le métal ou alliage constituant la tôle est de préférence choisi parmi les matériaux à haute résistance spécifique; par exemple alliages'd'aluminium de titane, aciers, etc. Les fibres sont de préférence choisies parmi celles ayant un haut module élastique ou une haute résistance telle que le carbone HR ou HM, le verre, les aramides, le bore, les polyamides, les polyesters; les résines sont choisies de préférence parmi les résines : époxydes, polyesters, polyimides polyuréthannes, phénoliques ou même thermoplastiques du type PET, PBT, PPEK, etc... Les fibres peuvent se présenter sous forme de fibres longues, orientées parallèlement et/ou perpendiculairement à la direction longitudinale du tube ou même avec des orientations déterminées quelconques. Elles peuvent être courtes et orientées au hasard (feutre). Le composite résine-fibres peut être lui-même constitué de plusieurs couches superposées (stratifié) de nature et/ou orientation des fibres différentes (par exemple des orientations croisées). Le composite résinefibres utilisé est de préférence un "prepreg" (pré-imprégné) commercialement disponible, mais il est possible de le constituer, in situ, sur l'une des faces de la bande ou de la tôle, et de prépolymériser la résine. Un procédé de mise en oeuvre de l'invention décrite ci-dessus consiste: a) à constituer un ensemble métal-résine-fibres par disposition face contre face d'une tôle ou bande métallique et d'une (ou plusieurs couches) d'un (ou plusieurs). composite(s) résine-fibres ou par constitu tion d'un tel composite in situ sur une face de la tôle ou de la bande, b) à enrouler ledit ensemble à spires jointives sur lui-même ou sur un mandrin plein ou creux. c) à maintenir le produit obtenu en position d) à polymériser (ou compléter la polymérisation) de la résine par maintien dans des conditions de température et temps appropriées (produit massif ou tubulaire}. e) et éventuellement à retirer le mandrin (produit tubulaire). Il est préférable que la feuille ou bande métallique constitue les parois latérales externe (et éventuellement interne) du produit obtenu, en raison des inconvénients signalés pour les composites fibres-resine. Pour obtenir des produits de forme externe régulière, il est souhaitable que la bande ou tôle métallique soit plus longue que la (ou les) composite(s) fibres-résine utilisé(s) sur une longueur légèrement supérieure, à chaque extrémité, à celle des périmètres (interne et externe) du produit à obtenir, et que ces parties présentent un biseau régulier (dans le sens de l'épaisseur). On obtient ainsi des surfaces externes lisses, sans ressauts notables, en particulier pour les feuilles ou bandes épaisses. Bien que la description ci-dessus soit orientée essentiellement vers l'obtention de formes cylindriques circulaires, il est évident que la méthode s'applique également à des formes prismatiques de base polygonale et à d'autres surfaces (ou volumes à surfaces) développables tels que des surfaces coniques. Il est même envisageable de réaliser des pièces à surfaces non développables, par enroulement de bandes étroites du composite : métal-résine fibres (comme décrit ci-dessus). Si le mandrin ne fait pas partie du produit final, il est avantageux de le concevoir démontable en plusieurs parties, afin de faciliter son extraction. L'exemple suivant illustré par les figures 1 à 4 indique une méthode de mise en oeuvre de l'invention et les caractéristiques du produit obtenu. La figure 1 représente schématiquement le dispositif d'enroulement utilisé, en élévation et vue de côté. La figure 2 représente une vue perspective du dispositif expérimental avant enroulage (cylindres d'appui non représentés). La figure 3 représente une coupe longitudinale du complexe avant enroulement, muni d'un biseau final sur une longueur 1 sensiblement égale au périmètre du produit. La figure 4 représente une coupe transversale schématique du tube obtenu. EXEMPLE DE REALISATION La réalisation expérimentale suivante a été effectuée à l'aide d'une machine à enrouler sommaire constituée d'un bâti métallique 1,2 supportant un mandrin d'enroulement 4 placé entre deux cylindres d'a#ppui 3. Un dispositif mécanique élastique 5,6 permet d'appliquer une certaine pression de contact entre les cylindres et le mandrin. Le mandrin possède une rainure étroite 8 de quelques mu de profondeur sur toute sa longueur permettant l'engagement de la feuille métallique avant enroulement; il possède également un dispositif d'entraînement par manivelle 7. Une tôle d'alliage d'Al 10 (5182 H19 suivant la nomenclature de l'Aluminium Association) de 0,19 mm d'épaisseur a été préparée de la façon suivante: - dégraissage DIVERSEY 708 pendant 10 min à 600C - décapage sulfochromique pendant 20 min à 60-650C Le bain était constitué de: acide sulfurique 660 Bé 15 1 acide chromique 5 kg (ou bichromat de soude) (7,5 kg) eau 85 1 -rinçage et séchage puis a été recouverte dans sa partie centrale par un "prepreg" (pré-imprégné) 11 de la Société BROCHIER -ref. NCEM 174 130 M40- en 130 g/m2 dont l'épaisseur après polymérisation est de 0,13 mm ( 50% fibres en vol.). Ce prepreg est essentiellement constitué d'une chaine de fibres unidirectionnelles dé carbone noyées dans une résine époxyde, les fibres de carbone ayant été disposées dans le sens de la largeur du produit. Ce prepreg adhère a la feuille d'Al par simple pression manuelle. La partie "arrière" 10b de la feuille d'Al a été enduite sur toute sa largeur 12 d'un adhésif "AV 119" de CIBA-GEIGY (époxy mono-composant). L'extrémité avant lOa de la tôle d'AI 10 a été introduite dans la rainure 8 du mandrin puis ensemble a été roulé sur le mandrin 4, la dernière spire étant en Aluminium appliqué sur lui-même. Le tube ainsi obtenu a été maintenu en position par une bande adhésive armée, puis l'ensemble tube-mandrin a été extrait de la machine de roulage. Après la pose des colliers métalliques de maintien, l'ensemble tube-mandrin a été introduit dans une étuve de polymérisation pendant lh à 1200C. Après polymérisation, les colliers de maintien ont été otés et le mandrin interne a été retiré. Le tube composite ainsi obtenu dont la structure en coupe est schémati- sée à la figure 4 et dont les fibres de carbone sont disposées dans une direction parallèle à l'axe, ayant 600 mm de long, un diamètre intérieur de 25 mm et une épaisseur de 1,9 mm, possède les caractéristiques mécaniques suivantes en comparaison avec les caractéristiques d'un tube 5182 H19 et d'un tube composite "BROCHIER". Tube composite Tube 5182 H19 Tube "BROCHIER" Densité d 2,26 2,67 1,43 Nodule d'Young(MPa) 145 150 71 000 187 340 Charge de rupt.R (MPa) 637 426 761 "spécifique (R/d) 282 160 532 Coef.de dilatation (10-6/0C) 9,5 23,9 - 0,5 Les produits selon l'invention présentent les avantages suivants - simplicité de fabrication donc coûts peu élevés - facilité d'assemblage avec des organes de liaison métalliques - grande rigidité - légèreté - faible coefficient de dilatation - résistance aux rayons cosmiques, à l'abrasion,... Ils trouvent leurs applications principales dans les secteurs suivahts: - sport : cadre de vélo, flèches, bâtons de ski, piolets, cannes à pêche, mats de voiliers, ULM, etc. - aérospatial : structures orbitales - militaire : éléments de ponts, piquets de tente - - météorologie ou optique, etc - aéronautique: biellettes de commande, etc... REVENDICATIONS 1. Produit composite métal-fibres-résine caractérisé en ce qu'il est constitué au moins en partie de couches superposées formées par l'ensem ble constitué d'une feuille ou bande métallique (10) et d'une couche composite fibres-résine adjacente (11), enroulé en spirale à spires jointives. 2. Produit composite selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il s'agît d'un produit plein dont la surface latérale externe est métalli que. 3. Produit selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il s'agit d'un produit creux dont les surfaces latérales interne et externe sont métalliques. 4. Produit selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les extrémités initiale et finale tallique (1O) sont biseautées sur une longueur sensiblement égale à celle du périmètre correspondant de la section droite du produit obtenu. 5. Produit selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la feuille métallique est en Al ou alliages d'Al. 6. Produit selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les fibres utilisées sont des fibres de carbone à haut module. 7. Produit selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la résine utilisée est une résine époxyde. 8. Procédé d'obtention d'un produit selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que a) on dispose face contre face une tôle ou une bande métallique et une ou plusieurs couches d'un composite résine-fibres pré-imprégné b) on enroule ledit ensemble à spires jointives sur lui-même ou sur un mandrin plein ou creux c) on maintient le produit obtenu en position d) on complète la polymérisation de la résine par maintien dans des conditions de temps et température appropriées e) on retire éventuellement le mandrin. 9. Procédé d'obtention d'un produit selon l'une des revendications à 7 caractérisé en ce que a) on constitue sur une face d'une tôle ou bande métallique une (ou plusieurs) couche(s) d'un composite résine-fibres b) on prépolymérise c) on enroule ledit ensemble à spires jointives sur lui-même ou sur un mandrin plein ou creux. d) on maintient le produit obtenu en position e) on polymérise la résine f) on retire éventuellement le mandrin 10. Bande composite constituée d'une feuille ou bande métallique et d'un composite résine-fibres pré-imprégné destiné à la réalisation des produits selon les revendications 1 à 7.