Brevet FR2647475A1 — publié le 19901130

1i 2647475 MEIHODE DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE DE MATERIAU FIBREUX A TROIS DvIMENSIONS ET A AIGUILLETAGE HOMOGENE La présente invention concerne la production des structures à aiguilletage hautement uniforme destinées à être utilisées comme renforcement dans des éléments de freinage haute performance, des pièces de moteur de fusée ou autres structures rigides résistant à la chaleur, et elle fait plus particulièrement référence à la fourniture d'un élément textile intermédiaire utilisé dans la fabrica- tion de ces structures de renforcement. Les disques de frein utilisés dans les systèmes de freinage de véhicules très rapides, comrnme par exemple voitures de course et aéronefs, sont soumis à des charges de freinage particulière- ment élevées et doivent pouvoir supporter ces charges avec une grande fiabilité. Plus spécifique- ment, les disques doivent posséder des caractéristiques physiques les rendant capables d'endurer Q les forces de contrainte élevées auxquelles ils sont confrontés dans ce contexte. Une méthode particulière de production de structures à trois dimensions de matériaux fibreux destinées à être utilisées comme renforcement dans des matériaux composites est décrite dans le mémoire descriptif du Brevet US n 4.790.052, qui comprend l'aiguilletage individuel de couches consécutives de matériau fibreux en nappe. Le degré d'homogénéité exigé de la structure à trois dimensions qui formera le renforcement est tel qu'il nécessite que l'opération d'aiguilletage par laquelle les couches individuelles sont combinées soit effectuée avec un effet constant au fur et à mesure que les couches consécutives sont utilisées dans la confection de la structure, le mémoire descriptif du Brevet US n 4.790.052 donnant une méthode particulière pour parvenir à ce résultat. De la même manière que l'uniformité dans la manière d'aiguilleter est d'une importance capi- tale pour obtenir le degré requis d'homogénéité dans la structure à trois dimensions, ainsi en est-il de l'utilisation de couches individuelles de matériau fibreux en nappe qui sont très semblables les unes aux autres quant à leurs caractéristiques physiques. De manière classique, les couches individuelles qui sont combinées pour former la structure à trois dimensions présentent chacune des bandes cardées ou nappées comprenant des fils ou des câbles continus appliqués à une couche tissée, par exemple par aiguilletage, et de par leur nature intrinsèque, les bandes manquent d'uniformité. En conséquence, on se heurte à des difficultés pour parvenir à une homogénéité optimale dans la structure à trois dimensions. L'objet de la présente invention concerce une forme perfectionnée de matériau fibreux en nappe destiné à être utilisé dans la production de structures de renforcement comme mentionné ci-dessus. Ainsi, en accord avec la présente invention, la méthode de production d'un élément textile in- 2 2647475 termédiaire destiné à être utilisé dans la fabrication d'une structure de renforcement homogène par l'aiguilletage conjoint progressif de tels éléments superposés est caractérisée en ce que, en créant l'élément textile intermédiaire, une structure cohérente est soumise à une opération de lainage sur au moins une de ses faces. La structure cohérente sera de préférence sous forme tissée, même si une telle structure peut comprendre, par exemple, une masse fibreuse aiguilletée qui peut, si on le préfere, comporter une étoffe à base tissée ou être simplement renforcée par des fils parallèles espacés alimentés par un cantre. L'invention porte aussi sur un élément textile intermédiaire destiné à être utilisé comme sus- mentionné comprenant une structure textile, de préférence réalisée à partir de fils de précurseur cé- ramique ou de carbone multifilament, ayant une surface lainée sur au moins une de ses faces. L'invention va maintenant être décrite plus en détail, uniquement à titre d'exemple, en se réfé- rant aux dessins schématiques l'accompagnant, dans lesquels: La Figure 1 est une vue en perspective du tissu de l'invention dont une partie de la surface seulement a été lainée; La Figure 2 est une représentation schématique de l'élaboration d'une superposition de cou- ches de tissu et de leur aiguilletage pour donner une structure homogène; et La Figure 3 est une structure tissée adaptée à l'utilisation de fils de carbone pur. Dans un mode de réalisation de l'invention (examinons maintenant la Figure 1), nous propo- sons un tissu 11, de préférence un tissu croisé (ou twill) qui, pour des raisons de commodité, n'a pas été représenté sous cette forme, dans lequel les fils de chaîne 12 et les fils de trame 13 com- prennent chacun des fils de PAN (polyacrylonitrile, un précurseur carboné) multifilament. Le tissu est soumis à une opération de lainage classique pour créer un voile de carde 14 sur chaque face du tissu (une seule face ayant été représentée), le degré de lainage étant déterminé par la quantité de voile de carde requise. Du fait de la nature régulière de la structure du tissage, la densité du voile de carde sera sensi- blement constante et, de plus, sera facilement reproductible. Le tissu lainé de la Figure 1 est utilisé pour confectionner un corps sensiblement homogène d'une épaisseur requise en appliquant progressivement des couches consécutives de tissu sur une superposition et en aiguilletant la superposition au travers de chaque couche consécutive, l'aiguil- letage étant ainsi fait qu'il donne une uniformité sur toute l'épaisseur de la superposition, la mé- thode étant schématiquement illustrée aux Figures 2A à 2C et étant, de manière générale, en ac- cord avec celle donnée dans le Brevet US n 4.790.052. La Figure 2A représente une étape inter- médaire dans la confection de la superposition 21 sur une table 22, les aiguilles 23 à mouvement de va-et-vient montées sur la barre 24 à aiguilles étant représentées en pénétration maximale, les couches inférieures de la superposition n'étant plus soumises à l'opération d'aiguilletage. Les Fi- gures 2B et 2C montrent la manière selon laquelle la table 22 est progressivement abaissée à me- sure que la superposition se construit et que l'opération d'aiguilletage est restreinte à la seule zone supérieure 25 de la superposition. Dans la constitution initiale de la superposition, les aiguilles à mouvement de va-et-vient traverseront totalement la superposition, s'engageant dans les trous 26 de la table, mais à mesure que se produira l'accumulation, la table se déplacera vers le bas par rap- 3 2647475 port à la position de point mort bas de la course des aiguilles, si bien que, au moment nécessaire, les couches de tissu inférieures ne seront plus soumises à l'aiguilletage. L'aiguilletage continue après que la superposition ait atteint l'épaisseur désirée, la table étant progressivement abaissée pendant le processus d'aiguilletage, jusqu'au moment o la couche supérieure 27A a été soumise au même degré d'aiguilletage que la couche inférieure 27B et que les couches intermédiaires 27C. Le tissu aiguilleté est alors soumis à une étape conventionnelle de carbonisation (pour trans- former le PAN pré-oxydé en carbone) ainsi qu'à une étape conventionnelle de densification par infiltration en phase gazeuse par procédé chimique de pyrocarbone, le matériau obtenu étant apte à une utilisation comme plaquette de frein à disque dans des conditions extrêmes de charge. La ré- 0 gularité du voile de carde formé sur les couches individuelles assure un haut degré d'homogénéité à la plaquette de frein à disque et contribue à la résistance de la plaquette et à sa capacité à résister à des charges de contrainte. Le voile de carde lui-même peut être aplati avant l'application de la couche à la superposition de couches déjà présente sur la machine à aiguilleter - par exemple en soumettant le tissu à une opération de calandrage à chaud - ou bien le voile de carde peut être traité pour le maintenir selon une disposition pour laquelle il s'étend vers l'extérieur de la structure tissée et perpendiculaire- ment à celle-ci. Dans ce dernier cas, on pourra trouver approprié de tailler la surface lainée pour donner au voile de carde une hauteur sensiblement uniforme. On observera que, par une sélection d'un croisé (twill) approprié, il est possible de créer un dessin dans la surface lainée, présentant des zones régulières avec et sans voile de carde, ces zones "mâles" et "femelles" pouvant recevoir de manière complémentaire des zones sans et avec voile de carde d'un tissu similaire placé de manière à se superposer avec elles. De préférence, les zones avec et sans voile de carde existent dans des positions complémentaires sur les surfaces res- pectives du tissu. De cette manière, un certain degré d'enchevêtrement naturel est obtenu entre des couches consécutives qui contribuent de manière complémentaire à la résistance au cisaillement du produit final. De plus, en utilisant, par exemple un tissu de satin effet trame et en lainant les surfaces de manière inégale, une couche de tissu ayant un degré différent de voile de carde sur les surfaces respectives pourra facilement être réalisé. La large gamme de structures de tissage possibles permet, bien évidemment, de réaliser la va- riété correspondante de tissus lainés et, plus particulièrement, d'offrir tout degré ou toute réparti- tion requise du voile de carde ou de combinaisons du voile de carde. Ainsi, par exemple, un sergé brisé avec trame dominante, et plus particulièrement d'un type ayant des fils de trame multiples tissés ensemble, pourra être utilisé pour produire un tissu présentant un voile de carde épais sur chaque surface. Dans le cas d'un élément textile intermédiaire constitué de fils de carbone purs ou sensible- ment purs, on a découvert qu'il était opportun d'utiliser un tissage donnant une structure multi- couche, la création d'un voile de carde sur une surface du tissu n'ayant aucun effet contraire sur les couches éloignées de cette surface malgré la nature fragile des fils de carbone et les dégâts pro- voqués par l'opération de lainage sur les fils à la surface du tissu. Un dessin de tissage typique 4 2647475 utilisable dans le contexte des éléments tissés avec des fils de carbone purs ou sensiblement purs est représenté à la Figure 3. D'autres types de structures de tissage se présenteront d'eux-mêmes à l'esprit de l'homme de l'art. Bien que l'invention ait été décrite en faisant référence à une structure tissée qui est lainée pour présenter un voile de carde, une multiplicité de couches de tissu de cette sorte étant aiguille- tées ensemble, on observera que la couche de tissu utilisée dans la production d'un renforcement à trois dimensions peut comporter une trame cardée de fibres placée entre deux tissus lainés, le tout étant réuni sur une machine d'accrochage des fibres. L'invention n'est pas limitée au détail exact des modes de réalisation décrits ci-dessus, puis- que d'autres alternatives se présenteront d'elles mêmes à l'homme de l'art. Ainsi, par exemple, les poids relatifs de la chaîne et de la trame peuvent être différents et la structure du tissage telle que, après lainage, les poids réels des fils dans la chaîne et la trame soient équivalents, le surplus du fil le plus lourd devenant le voile de carde ou le renforcement fibreux. En fait, un tissu approprié pourra ne pas être tissé et pourra par exemple être constitué d'une masse lainée de fibres, par exemple d'un poids de 500 grammes au mètre carré, sa surface étant légèrement lainée pour présenter un "duvet" aux fins de liaison. La masse aiguilletée peut com- prendre un renforcement, ce renforcement comprenant de manière typique une structure tissée disposée dans la masse de fibres ou bien simplement des fils parallèles espacés utilisés aux mêmes fins. Bien que l'intérêt premier soit d'offrir un tissu intermédiaire destiné à être utilisé dans la fa- brication d'une structure de renforcement homogène prévue pour supporter des forces thermomé- caniques élevées, et que donc le tissu comprendra des fibres de carbone ou de céramique (ou des précurseurs de ces fibres) ou leur combinaison, on comprendra que l'invention offre un tissu d'un usage avantageux dans des conditions moins dures dans lesquelles les matériaux utilisés dé- pendront du contexte prévu pour l'utilisation de la structure homogène. Ainsi, selon le contexte, on pourra utiliser des fibres naturelles, artificielles ou synthétiques, en combinaison ou non. REVENDICATIONS 1. Méthode de production d'un élément textile intermédiaire destiné à être utilisé dans la fabri- cation d'une structure de renforcement homogène formée par aiguilletage progressif conjoint de tels éléments superposés consécutivement, caractérisee en ce qu' elle consiste à soumettre au moins une face d'une structure textile cohérente définissant ledit élément à un processus de laina- ge du textile. 2. Méthode de production d'une structure de renforcement homogène comprenant les étapes consistant à appliquer des couches consécutives d'une structure textile cohérente à une superposi- tion, aiguilletée au fur et à mesure, de structures similaires et à aiguilleter chaque couche consécu- tive avec ladite superposition pour donner une superposition d'une épaisseur requise, l'aiguilleta- ge étant de nature à offrir une homogénéité substantielle à travers toute l'épaisseur de la superpo- sition, caractérisée en ce qu'au moins une face de la structure textile cohérente est soumise à un processus de lainage du textile avant son application sur la superposition. 3. Méthode selon la Revendication 1 ou 2, dans laquelle les deux faces de la structure textile cohérente sont soumises au lainage. 1 5 4. Méthode selon la Revendication 3, dans laquelle chaque surface de la structure textile co- hérente est lainée sélectivement pour présenter des zones avec voile de carde et sans voile de carde. 5. Méthode selon la Revendication 4, dans laquelle les zones avec voile de carde et sans voile de carde sont positionnées de manière complémentaire sur les deux faces de la structure textile cohérente. 6. Méthode selon la Revendication 2 ou selon l'une quelconque des Revendications 3 à 5, lorsque celles-ci dépendent de la Revendication 2, dans laquelle chaque structure textile cohérente comprend un tissu réalisé à partir de fibres de carbone ou de céramique (ou de précurseurs de celles-ci) et dans laquelle la rnméthode comprend une étape de densification. 7. Elément textile intermédiaire destiné à être utilisé dans la fabrication d'une structure de ren- forcement homogène formé par aiguilletage conjoint progressif de tels éléments superposés con- sécutivement, caractérisé en ce que l'élément comprend une structure textile cohérente dont au moins une face a été soumise à une opération de lainage du textile. 8. Elément textile intermédiaire selon la Revendication 7, dans lequel les deux faces de la structure textile cohérente sont lainées. 9. Elément textile intermédiaire selon la Revendication 8, dans lequel chaque surface de la structure est lainée sélectivement pour présenter des zones avec voile de carde et sans voile de carde. 10. Elément textile intermédiaire selon la Revendication 9, dans lequel les zones avec voile de carde et sans voile de carde sont positionnées de manière complémentaires sur les deux faces de la structure textile cohérente. 11. Structure textile intermédiaire selon l'une quelconque des Revendications 7 à 10, dans la- quelle ladite structure comporte un tissu. 12. Structure textile intermédiaire selon la Revendication 11, dans laquelle ladite structure 6 2647475 comporte un stratifié soumis à perforation de deux tissus entre lesquels est disposée une nappe fi- breuse. 13. Structure textile intermédiaire selon l'une quelconque des Revendications 7 à 12, compre- nant des fibres de carbone ou de céramique ou leurs précurseurs. 14. Structure textile intermédiaire selon la Revendication 13 comportant un tissu multicouche. 15. Pluralité de structures intermédiaires selon l'une quelconque des Revendications 7 à 14, organisées selon une disposition en couches superposées et aiguilletées ensemble pour former un tissu de renforcement homogène à trois dimensions.