Brevet FR2632047A1 — publié le 19891201

"Assemblage de tubes en carbone ou en graphite." L'invention concerne un assemblage de tubes en carbone ou en graphite avec un manchon en fibres entourant l'emplacement de collage. Pour l'assemblage de tubes et de cylindres constitués de carbone ou de graphite, qui ne peuvent être fabriqués qu'en longueurs relativement courtes, et qui pour leur utilisation doivent fréquemment être assemblés en longueurs plus importantes, il est connu de munir les extrémités réduites en diamètre de file- tages et de les visser avec des manchons constitués également de carbone et de graphite. Notamment pour des tubes à parois minces, cette liaison par manchons est peu appropriée, car du fait de l'augmentation brusque de l'épaisseur de la paroi à la transition en- tre l'enveloppe des tubes et le manchon, lequel a né- cessairement un diamètre externe plus important que le tube, des pointes de contraintes sont formées. La so- lidité de l'assemblage est ainsi considérablement af- faiblie et le facteur de diminution s'élève jusqu'à %. Des tubes en carbone ou en graphite sont égale- ment assemblés par collage ou par assemblage au mas- tic. Les extrémités des tubes sont, dans ce type d'as- semblage, de façon générale, enturées ou bien profi- lées et revêtues d'une colle ou d'un mastic contenant, la plupart du temps, une résine synthétique durcissa- ble qui, après l'assemblage des tubes, est durcie. Dans le cas de tubes simplement enturés, on ne peut éviter, lors de l'assemblage des tubes, une accumula- tion du mastic le long des lignes de coupe de l'entu- rage et de l'enveloppe du tube, et on aboutit à une dispersion non souhaitable de la résistance de l'as- semblage, dont le facteur de diminution est en moyenne également d'environ 50 %. On obtient une résistance d'assemblage plus importante et présentant moins de dispersion avec des tubes dont les extrémités sont profilées en forme de S (DE-PS 10 53 260). L'assembla- ge dont le facteur de diminution est d'environ 30 à %, comprend sous la forme d'un intervalle périphéri- que, un résidu de mastic qui est délimité par les li- gnes de contact des deux tubes. Le carbone et le graphite sont des matériaux relativement cassants et des tubes constitués essen- tiellement de carbone et de graphite sont particuliè- rement sensibles aux sollicitations par chocs. Il est connu de renforcer des tubes en carbone et en graphite par des manchons en tissus, par exemple en nattes de fibres de verre (DE-AS 10 49 171) ou bien d'enrouler sur les tubes des fils de graphite précontraints (DE- Ps 31 16 309) et de relier les manchons et les tubes par adhérence grâce à des ponts en matière plastique. Les manchons ou les enroulements s'étendant sur les emplacements de collage ou de masticage de tubes re- liés entre eux, augmentent la résistance de l'assem- blage, sans que la résistance à la rupture des tubes armés soit atteinte. Un facteur de diminution de 30 à. % ne permet pas une pleine utilisation de la résis- tance des tubes. Il est également connu de coller avec une bride en graphite, l'extrémité d'un tube de gra- phite gainée avec un manchon en tissu (US-PS2782 806). J 3 Le manchon est alors directement inséré dans la couche de mastic et bien qu'une amélioration considérable de la résistance de l'assemblage soit obtenue, on n'ob- tient pas la résistance à la rupture de tubes non ar- més. Les facteurs de diminution importants sont une caractéristique commune de tous les assemblages connus, ces facteurs limitant notablement la possibi- lité de charge des tubes ainsi assemblés, et ceci à des valeurs se situant largement au-dessous de la charge de rupture du tube d'un seul tenant. L'invention a en conséquence pour but d'amé- liorer la résistance de l'assemblage, de sorte que des tubes de carbone et de graphite assemblés puissent présenter une résistance comparable à celle des tubes d'un seul tenant. Ce but est atteint avez un assemblage par collage du type initialement mentionné, en ce que le manchon est constitué de tronçons, des films mobiles par rapport aux tubes et entourant annulairement les tubes, étant insérés entre les tronçons terminaux du manchon et les tubes, tandis que le tronçon médian du manchon est solidaire des tubes. Les extrémités des tubes à assembler sont profilées de façon connue. L'une des extrémités a un profil positif quelconque, la seconde extrémité a un profil négatif complémentaire. Après enduction des surfaces profilées avec une colle ou un mastic, les extrémités de tubes sont assemblées et le liant conte- nu dans le mastic est durci thermiquement ou catalyti- quement. Les mastics ou les colles sont constitués d'un matériau de carbone à grains fins ou bien pulvé- rulent, par exemple de la suie ou du graphite, et d'environ 20 à 40 % de résine durcissable en tant que liant. Avantageusement, on utilise comme liant, des résines phénol-aldéhyde ou bien des résines furanes auxquelles sont éventuellement ajoutés les catalyseurs de durcissement. La plasticité de la colle ou du mas- tic est adaptée aux différentes conditions de collage, par l'intermédiaire de la proportion de résine dans le mélange, ou bien également par adjonction de moyens de plastification. Pour le durcissement des composants de la résine, les assemblages seront avantageusement chauffés entre environ 120 et 180'C et maintenus en- viron 4 à 12 heures à ces températures. Des mastics contenant des catalyseurs se solidifient déjà par ex- position à la température du local. Les extrémités de tubes ainsi collées sont entourées d'un manchon dont la longueur est, de préfé- rence, supérieure au diamètre des tubes et est au plus égale à quatre fois le diamètre des tubes. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, l'assemblage est caractérisé en ce que le manchon contient des fibres de carbone. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le manchon est enroulé sur les tubes. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le manchon est constitué de couches d'un tis- su pré-imprégné (feuille pré-imprégnée) dont les fi- bres sont parallèles à l'axe des tubes assemblés. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les films annulaires sont des films en gra- phite. Ce manchon est constitué d'un tronçon médian et de deux tronçons terminaux, qui sont avantageusement dis- posés symétriquement par rapport à l'emplacement de collage. Le tronçon médian du manchon est solidaire de l'enveloppe des tubes, avantageusement par l'intermé- diaire de ponts de résine synthétique durcie, les tronçons terminaux s'appliquent sur des films annulai- res qui sont étendus sur les tubes. Ces films relati- vement mobiles par rapport à l'enveloppe des tubes constituent des tronçons d'adhérence réduite entre le manchon et les tubes, de sorte qu'aux extrémités du manchon, il ne se constitue pas une augmentation de contraintes brusque. Des contraintes de cisaillement qui prennent naissance par exemple du fait de la dila- tation différente du manchon et des tubes, provoquent au niveau des tronçons terminaux du manchon, un ci- saillement ou bien un déplacement des tubes, grâce à quoi cette contrainte particulièrement nuisible à la résistance de l'assemblage est notablement réduite. Le facteur de diminution de la résistance de l'assemblage est en conséquence, seulement, d'environ 10 %, de sor- te que des tubes de carbone ou bien de graphite 'assem- blés par collage, peuvent être sollicités comme des tubes d'un seul tenant compte tenu des majorations de sécurité habituelles. La longueur du manchon entourant l'assembla- ge des tubes est, selon une forme de réalisation pré- férée, au moins aussi importante et au plus quatre fois aussi importante que le diamètre des tubes. Si le manchon s'étend, par exemple sous forme d'un enroule- ment, sur une très grande partie de la longueur du tu- be, les films interrompant le contact direct entre le manchon et les tubes, ne doivent pas être plus éloi- gnés que d'environ le simple diamètre du tube de l'em- placement de collage. Pour des distances plus impor- tantes, le soulagement des contraintes de l'assemblage diminue considérablement. Le manchon lui-même est constitué de fibres qui ont une résistance à la trac- tion et une rigidité aussi importante que possible et qui sont stables aux températures de durcissement du mastic et aux températures d'utilisation des tubes en carbone et en graphite. On préférera par exemple, des fibres de verre, des fibres d'aramide et surtout des fibres de carbone qui de fait de leur résistance à la corrosion est identique à celle des tubes. Les man- chons sont constitués de tissus ou bien de tissus maillés de ces fibres, ou bien de fils qui sont enrou- lés sur les tubes. Les tissus et les fils sont enduits de résine synthétique durcissable, par exemple les mê- mes résines qui sont utilisées pour les colles ou les mastics. Avantageusement, on durcit les résines du mastic et les résines d'enduction au cours d'une même opération. Les ponts de résine durcie ainsi formés as- surent une liaison par adhérence entre le tronçon mé- dian du manchon et les tubes collés ensemble. Selon une forme de réalisation préférée, le manchon est constitué de couche d'un tissu préimprégné (feuille pré-imprégnée) dont les fibres sont parallèles à l'axe des tubes. La liaison entre les tubes et le manchon est interrompue dans les tronçons terminaux du manchon dans lesquels des films annulaires sont insérés entre le manchon et les tubes. En principe, on utilise dans ce but, des films résistant à la température et à la corrosion dont le coefficient de frottement est aussi réduit que possible, ou bien qui peuvent être facile- ment déformés par glissement. Des exemples pour le premier groupe sont des polymères contenant du fluor, tels que les polytétrafluoréthylènes, un exemple du deuxième groupe est le film de graphite qui a un com- portement particulièrement avantageux. Les films avan- tageusement d'une épaisseur de 0,1 à 0,2 mm sont dé- coupés en bandes à une longueur correspondant à la pé-. riphérie du tube et à une largeur correspondant à en- viron 1/5 ou 1/4 de la longueur du manchon et sont placés autour des tubes à une certaine distance de l'emplacement d'assemblage de ces tubes, et fixés par le manchon passé par dessus. Une liaison de plus gran- de résistance entre le manchon enduit de matière syn- thétique et les films, ne se forme pas dans ce cas, car l'adhérence de la résine sur le film est très ré- duite et notablement plus mauvaise que sur la surface enveloppe des tubes. L'invention va être ci-après exposée à titre d'exemple à l'aide du dessin ci-joint. Sur ce dessin sont représentés des tubes de graphite 1, 1' avec des faces frontales 2, 2' profi- lées en forme de S. L'intervalle ménagé entre ces fa- ces frontales est rempli d'une masse de mastic 3 qui est constituée d'un mélange contenant une résine phé- nol-formaldéhyde, de la suie et de la poudre de gra- phite. Sur l'emplacement d'assemblage des tubes qui ont un diamètre externe de 37 mm et un diamètre inter- ne de 25 mm, est mis en place un manchon 4 enduit de résine synthétique, et qui comporte un tronçon médian et des tronçons terminaux 6, 6'. Lors du durcisse- ment du revêtement en résine synthétique, une liaison par adhérence prend naissance par l'intermédiaire de ponts de résine synthétique entre le tronçon médian 5 du manchon et le tube 1, 1'. Entre les tronçons termi- naux 6, 6' du manchon et les tubes 1, 1', sont insérés des films annulaires de graphite 7, 7' d'une épaisseur de 0,2 mm, qui excluent un collage entre le manchon et les tubes dans cette zone. Le manchon est constitué de fils de fibres de graphite avec une résistance à la traction d'environ 3 GPa. Pour contrôler la résistance de l'assembla- ge, les tubes ainsi assemblés sont essayés à la flexion (contrôle de flexion en quatre points) - échantillon (C). A titre de comparaison, on a mesuré la résistance à la rupture de tubes en graphite (A) et de tubes collés sans manchon (B). Résistance à la rupture MPa Facteur de diminution en % A 45 B 29 35 C 41 10 REVENDICATIONS 1.- Assemblage par collage de tubes en car- bone ou en graphite avec un manchon en fibres entou- rant l'emplacement de collage, assemblage caractérisé en ce que le manchon (4) est constitué de tronçons (5, 6, 6'), des films (7, 7') mobiles par rapport aux tu- bes et entourant annulairement les tubes étant insérés entre les tronçons terminaux (6, 6') du manchon et les tubes (1, 1'), tandis que le tronçon médian (5) du manchon est solidaire des tubes (1, 1'). 2.- Assemblage par collage selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la longueur des man- chons est supérieure au diamètre des tubes et est au plus égale à quatre fois le diamètre des tubes. 3.- Assemblage par collage selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le manchon contient des fibres de carbone. 4.- Assemblage par collage selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le manchon est enroulé sur les tubes. 5.- Assemblage par collage selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le manchon est constitué de couches d'un tissu pré- imprégné (feuille pré-imprégnée) dont les fibres sont parallèles à l'axe des tubes assemblés. 6.- Assemblage par collage selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les films annulaires sont des films en graphite.