Brevet FR2638672A1 — publié le 19900511

BARREAU TUBULAIRE RIGIDE EN MATERIAU COMPOSITE, ET SON PROCEDE DE FABRICATION L'invention concerne un barreau tubulaire ri gide en matériau composite, destiné en particulier à des applications spatiales, et son procédé de fabrication. On a déjà proposé des barreaux rigides en matériau composite fibres de carbone-résine époxy comprenant une peau métallique extérieure, par exemple en aluminium, et éventuellement une peau métallique intérieure s'il s'agit d'un barreau tubulaire, qui adhèrent fortement au matériau composite.La présence de cette ou de ces peaux métalliques présente plusieurs avantages - tout d'abord, elle réduit l'absorption d'humidité par le matériau composite, - ensuite, elle réduit également le dégazage par le matériau composite, lorsque celui-ci se trouve dans un environnement à pression très faible ou nulle (applica tions aéronautiques et spatiales) - elle assure une protection du matériau composite contre les agressions chimiques - enfin, elle permet d'obtenir un barreau dont le coefficient de dilatation thermique est nul ou sensiblement nul pour une plage donnée de valeurs de température, où le matériau composite a un coefficient négatif de dilatation thermique dont l'influence est compensée par celle du coefficient positif de dilatation thermique de la ou des peaux métalliques du barreau, lorsque les dimensions et compositions relatives de la peau métallique et du matériau composite ont été convenablement choisies. Un premier procédé connu de fabrication d'un tel barreau consiste à enrouler des fibres de carbone sur une tige de téflon (polytétrafluoroéthylène) pour former un cylindre de fibres, à imprégner les fibres de résine, à enrouler un ruban d'aluminium (par exemple) sur le cylindre de fibres, puis à placer l'ensemble dans un four ou une étuve pour polymériser la résine. Après polymérisation, on sort l'ensemble du four ou de l'étuve et on exerce une traction sur les extrémités de la tige de téflon, pour ré duire son diamètre et pouvoir l'extraire du barreau obtenu. Eventuellement, on peut au préalable enrouler un ruban d'aluminium sur la tige de téflon, pour former une peau métallique interne du barreau, avant d'enrouler les fibres de carbone. Il apparaît immédiatement que ce procédé ne permet pas d'obtenir une très grande précision dimensionnelle et que la structure du barreau obtenu peut ne pas être uniforme, par exemple en raison de défauts d'enroulement. Un autre procédé connu consiste à placer dans un tube métallique une quantité voulue de fibres de carbone, à fermer ce tube et à y injecter de la résine par aspiration, puis à le déformer mécaniquement, par laminage, en maintenant dans le tube une pression sensiblement constante, pour l'aplatir et lui donner une section transversale voulue, et enfin à polymériser la résine par chauffage. Ce procédé permet d'obtenir une précision dimensionnelle relativement bonne, mais pour des barreaux plats uniquement et n'est évidemment pas applicable à la fabrication de barreaux tubulaires. De plus, il est impossible, en raison de la déformation mécanique importante du tube métallique pour son aplatissement, que l'on puisse conserver une configuration géométrique précise des fibres de carbone à l'intérieur du barreau. Par ailleurs, il est bien connu dans la technique de mouler des pièces creuses par gonflage d'une poche souple dans un moule rigide (brevet français 1 320 145 par exemple). Mais les procédés connus de fabrication des barreaux de matériau composite ne permettent pas d'utiliser cette technique. L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un barreau rigide en matériau composite du type précité, en particulier un barreau tubulaire, avec une excellente précision dimensionnelle. L'invention a également pour objet un procédé de ce type, permettant d'obtenir une structure uniforme du barreau. Elle propose pour cela, un procédé de fabrication d'un barreau rigide tubulaire en matériau composite, consistant à disposer des fibres de carbone et de la résine entre deux enveloppes métalliques, en particulier d'aluminium, puis à polymériser ou cuire la résine, caractérisé en ce qu'il consiste à former lesdites enveloppes au moyen de feuilles métalliques, en particulier d'aluminium, dont les bords longitudinaux se recouvrent mutuellement et forment des joints longitudinaux qui sont parallèles à l'axe du barreau, à supporter l'enveloppe interne par un mandrin gonflable, à placer l'ensemble mandrin-enveloppesfibres de carbone-résine dans un moule, à gonfler le mandrin pour expanser radialement ledit ensemble et le comprimer sur la paroi du moule, puis à polymériser ou cuire la résine tout en maintenant dans le barreau une pression interne orientée vers l'extérieur, au moyen du mandrin gonflué. On comprend que ces enveloppes métalliques sont capables de s'expanser radialement, par simple gonflage du mandrin qu'elles entourent, de sorte que l'enveloppe externe du barreau est appliquée à pression sur toute la surface interne du moule, pendant la polymérisation de la résine. Il en résulte des avantages importants - une excellente précision dimensionnelle du barreau, puisque son enveloppe métallique externe est appliquée de façon continue et uniforme sur toute la surface interne du moule, - une réduction des défauts de distribution ou de répartition des fibres dans l'épaisseur du barreau, ob tenue par l'expansion radiale sous pression de l'ensemble fibres-résine avant polymérisation de la résine et par la mise sous tension résultante des fibres, qui tend à les "réaligner" et réduire leurs ondulations locales. - un centrage quasi-automatique du barreau dans le moule. Plus précisément, le procédé consiste tout d'abord à entourer le mandrin gonflable d'une première enveloppe métallique comportant un joint longitudinal glissant formé par recouvrement des bords longitudinaux de l'enveloppe, à disposer des fibres de carbonepréimprégnées de résine sur cette première enveloppe, pour former un tube de fibres, à disposer autour de ce tube de fibres une seconde enveloppe métallique du même type que la première, à placer cet ensemble dans le moule et à gonfler le mandrin précité. Les fibres de carbone disposées autour de la première enveloppe métallique peuvent être nappées autour de celle-ci, drapées de toutes façons appropriées, ou bien elles peuvent être formées par une ou plusieurs tresses tubulaires que l'on enfile sur la première enveloppe métallique. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le barreau a une section sensiblement circulaire et chaque enveloppe est formée d'une feuille métallique roulée en cylindre, dont les bords longitudinaux se recouvrent librement pour former le joint longitudinal précité. Le barreau tubulaire obtenu par exécution de ce procédé peut être fermé, à ses extrémités, par des embouts métalliques collés. Pour réduire l'absorption d'humidité et le dégazage, on peut également prévoir un traitement de surface des enveloppes métalliques, tel par exemple qu'une anodisation lorsque ces enveloppes sont en aluminium. L'invention propose également un barreau tubulaire rigide en matériau composite, destiné en particulier à des applications spatiales et comprenant un noyau tubulaire en matériau composite résine-fibres de carbone, et deux enveloppes métalliques, en particulier d'aluminium, respectivement interne et externe, qui adhèrent fortement à la surface interne et à la surface externe respectivement du noyau de matériau composite, caractérisé en ce que chaque enveloppe comporte un joint longitudinal, parallèle à l'axe du barreau et formé par recouvrement mutuel de deux bords opposés de ladite enveloppe. Un tel barreau tubulaire présente l'avantage, par rapport au barreau tubulaire connu dont la peau métallique extérieure est formée par enroulement d'un ruban d'aluminium, de n'avoir qu'un seul joint longitudinal, et non deux, la longueur de ce joint étant de plus très inférieure à celle des joints de ces barreaux connus. Selon une autre caractéristique de l'invention, les joints des deux enveloppes du barreau sont sensiblement diamétralement opposés par rapport à l'axe longitudinal du barreau. On minimise ainsi l'influence sur la symétrie de structure du barreau des surépaisseurs formées par les recouvrements des bords des enveloppes. De préférence, le barreau selon l'invention a une section transversale circulaire. Il pourrait cependant avoir une section transversale différente, par exemple ovale ou elliptique, plus ou moins aplatie. Par ailleurs, chaque enveloppe métallique pourrait comprendre deux joints longitudinaux du type précité, sensiblement opposés, ou da vannage Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'un barreau tubulaire selon l'invention, en cours de fabrication, - la figure 2 est une vue schématique partielle, en coupe longitudinale, de l'extrémité du barreau. On se réfère tout d'abord à la figure 1, pour décrire le procédé de fabrication d'un barreau tubulaire selon l'invention, qui est ici à section transversale circulaire. Le procédé consiste & placer une première- enveloppe métallique 10 autour d'un mandrin tubulaire gonflable 12 de forme cylindrique. L'enveloppe 10 est formée d'une feuille métallique mince, par exemple d'aluminium, qui est enroulée autour du mandrin 12 pour former un cylindre, de telle sorte que ses bords longitudinaux 14 se recouvrent mutuellement et forment un joint longitudinal. Le mandrin 12 est un tube par exemple en silicone, ou en un autre matériau élastomère approprié, et a une épaisseur de paroi suffisante pour conserver, à llétat libre, une forme cylindrique. Eventuellement, un tube ri gide peut être disposé à l'intérieur du mandrin 12 pour éviter sa flexion. Des fibres de carbone 16 qui sont de préf é- rence, mais non nécessairement continues, préimprégnées de résine par exemple du genre époxy, sont ensuite drapées et disposées autour de la première enveloppe métallique 10, puis une seconde enveloppe métallique 18, du même type que la première, est disposée autour du tube formé par les fibres de carbone 16, cette enveloppe métallique étant formée d'une feuille dont les bords longitudinaux opposés 20 sont à chevauchement libre. De préférence, le joint longitudinal de la première enveloppe métallique 10 sera diamétralement opposé à celui de la seconde enveloppe 18, pour réduire l'influence des surépaisseurs causées par les chevauchements de leurs bords 14 et 20. Cet ensemble mandrin 12-première enveloppe métallique 10-fibres et résine 16-seconde enveloppe métallique 18 est placé dans un moule en deux parties 22, défi nissant entre elles une cavité cylindrique dé moulage ayant exactement la forme et les dimensions du barreau à obtenir. Lorsque les deux parties du moule sont appliquées l'une sur l'autre et que ses extrémités sont fermées, on gonfle le mandrin 12 en le raccordant à une source de fluide sous pression par une extrémité, son extrémité opposée étant fermée par un bouchon amovible. Le mandrin 12 se dilate radialement et la pression radiale qu'il exerce sur la première enveloppe métallique 10 se traduit par une augmentation du périmètre de celle-ci. Cette expansion radiale de la première enveloppe 10 est transmise par les fibres de carbone et la résine à la seconde enveloppe métallique 18 qui vient s'appliquer uniformément sur la surface interne de la cavité de moulage. Le recouvrement des bords 14 et 20 des deux enveloppes est bien entendu déterminé, à l'état libre, pour être réduit sans être complètement annulé après gonflement du mandrin 12. L'opération suivante du procédé consiste à polymériser la résine par élévation de température, pendant une durée appropriée, jusqu'à durcissement complet du matériau composite. Pendant cette phase de polymérisation, le moule reste fermé et la pression est maintenue à l'intérieur du mandrin gonflable 12. La polymérisation de la résine a donc lieu sous pression, ce qui est favorable & la qualité du matériau composite. Sous l'effet de la pression interne, de la résine s'infiltre entre les bords des enveloppes 10, 18, de sorte qu'après polymérisation, ces bords sont maintenus collés par la résine. Une autre influence de cette pression interne est que l'expansion radiale des composants du barreau tubulaire tend à réduire les inégalités de distribution ou de positionnement des fibres de carbone dans la résine époxy, les fibres mises sous tension tendant naturellement à trouver leur place et à se "réaligner", contrairement à ce qui se passerait si l'on exerçait une compression radiale sur les enveloppes métalliques, tendant à réduire leur diamètre. Lorsque la polymérisation est terminée, il suffit d'ouvrir le moule et de relier à l'échappement le mandrin gonflable 12, pour pouvoir démouler le barreau tubulaire obtenu. Pour réduire encore les risques d'absorptlon d'humidité et de dégazage ultérieur par le matériau composite, les enveloppes métalliques 10 et 18 peuvent recevoir un traitement de surface, tel .qu' une anodisation de 1 'aluminium. Par ailleurs, les extrémités ouvertes du barreau peuvent être fermées par collage d'obturateurs tels que de simples rondelles métalliques, par exemple d'aluminium, ou d'embouts 24 de forme circulaire, présentant un pion ou téton cylindrique axial 26 s'engageant dans l'enveloppe interne 10 du barreau tubulaire et formé avec un trou axial. Les embouts utilisés sont par exemple en titane. Dans le barreau ainsi obtenu, les enveloppes métalliques 10 et 18 adhèrent très fortement au matériau composite 16. En fonction des dimensions souhaitées du barreau, les quantités relatives de matériau composite 16 et de métal peuvent être définies de façon à ce que le barreau ait un coefficient global de dilatation thermique qui soit sensiblement nul. En effet, dans une très large plage de températures, le matériau composite formé par les fibres de carbone et la résine époxy a un coefficient de dilatation thermique négatif, tandis que le métal des enveloppes 10 et 18 a un coefficient de dilatation thermique qui est positif, ce qui permet de compenser l'influence de l'un par celle de l'autre. Un tel résultat est extrêmement intéressant dans les applications spatiales, pour la réalisation de supports d'antennes, de panneaux solaires, de caméras, de telescopes, etc. et dans les applications de métrologie pour la réalisation de bancs et d'instruments de mesure et plus généralement pour toutes applications requérant des pièces rigides à géométrie quasi-invariante en présence d'une variation de température ou d'un milieu agressif. Les barreaux tubulaires de matériau composite selon l'invention présentent un grand nombre d'avantages - moment d'inertie important et très grande rigidité, améliorés par la régularisation de la disposition des fibres, - précision dimensionnelle élevée, notamment à la périphérie extérieure, - pas d'absorption d'humidité dans l'atmosphère ambiante, - pas de dégazage dans un environnement a pression faible ou nulle. Le procédé selon l'invention permet de réaliser simplement ces barreaux, à la longueur voulue. Pour fixer les idées, on indiquera à titre d'exemple, que l'on a déjà fabriqué des barreaux par ce procédé, ayant une longueur de 650 mm pour un diamètre interne de 8 mm et un diamètre ex- terne de 13 mm. L'épaisseur des enveloppes métalliques (aluminium) était de 50 pm. La pression de gonflage du mandrin était comprise entre 3 et 6 bars, et la température de polymérisation de la résine époxy était de l'ordre de 150' C. Le mandrin gonflable ou expansible peut être un tube de matière élastiquement déformable, par exemple de silicone comme précité, ou un tube de matière, par exemple plastique, susceptible de fluer sous l'effet de la pression à la température de polymérisation de la résine, ou encore un tube de matière à fort coefficient de dilatation thermique. REVENDICATIONS 1) Barreau rigide tubulaire en matériau composite, destiné en particulier à des applications spatiales et comprenant un noyau tubulaire de matériau composite résine-fibres de carbone 16, et deux enveloppes métalliques (10,18), en particulier d'aluminium, respectivement interne et externe, qui adhèrent fortement à la surface interne et à la surface externe respectivement du noyau de matériau composite, caractérisé en ce que chaque enveloppe (10,18) comporte un joint longitudinal, parallèle à l'axe du barreau, et formé par recouvrement mutuel de deux bords opposés (14,20) de l'enveloppe (10,18). 2) Barreau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bords en recouvrement (14,20) du joint sont fixés et maintenus l'un sur l'autre par la résine du matériau composite (16). 3) Barreau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque enveloppe (10,18) comprend un seul joint longitudinal précité. 4) Barreau selon la revendication 3, caractérisé en ce que les joints des deux enveloppes (10,18) sont sensiblement diamétralement opposés par rapport à l'axe longitudinal du barreau. 5) Barreau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il a une section transversale circulaire. 6) Barreau selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites enveloppes métalliques (10,18) ont un traitement de surface, tel qu'une anodisation pour l'aluminium, réduisant l'absorption d'humidité et le dégazage par le matériau composite (16). 7) Barreau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ses extrémités sont munies d'obturateurs métalliques (24) collés, comportant éven tuellement un pion ou téton axial (26) percé engagé dans l'enveloppe interne (10). 8) Procédé de fabrication d'un barreau tubulaire rigide en matériau composite, consistant à disposer des fibres de carbone et de la résine entre deux enveloppes métalliques, en particulier d'aluminium, puis à polymériser ou cuire la résine, caractérisé en ce qu'il consiste à former lesdites enveloppes (10,18) au moyen de feuilles métalliques, en particulier d'aluminium, dont les bords longitudinaux (14,20) se recouvrent mutuellement et forment des joints longitudinaux glissants parallèles à l'axe du barreau, à supporter l'enveloppe interne (10) par un mandrin gonflable (12), à placer l'ensemble mandrin (12)-enveloppes (10,18)-fibres de carbone-résine dans un moule, à gonfler le mandrin (12) pour expanser radialement cet ensemble et le comprimer sur la paroi du moule, et à polymériser ou cuire la résine tout en maintenant dans le barreau une pression interne orientée vers l'extérieur, au moyen du mandrin (12) gonflé. 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste d'abord à entourer le mandrin (12) d'une première enveloppe métallique (10) comportant un joint longitudinal formé par le recouvrement des bords d'une feuille métallique, à disposer des fibres de carbone préimprégnées de résine (16) sur cette première enveloppe pour former un tube de fibres, à disposer autour de ce tube une seconde enveloppe métallique (18) du même type que la première, à placer l'ensemble ainsi obtenu dans le moule, et à gonfler le mandrin (12) précité. 10) Procédé selon la revendication 8 ou 9, Ca- ractérisé en ce que, le mandrin (12) ayant une section transversale sensiblement circulaire, chaque enveloppe (10,18) est formée d'une feuille métallique roulée en cylindré, dont les bords longitudinaux se recouvrent librement pour former le joint longitudinal précité. 11) Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le mandrin gonflable (12) est un tube d'élastomère, par exemple de silicone, ou de matériau susceptible de fluer à la température de polymérisation de la résine. 12) Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il consiste, après polymérisation de la résine, å fermer les extrémités du barreau par collage d'obturateurs métalliques (24). 13) Procédé selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que, après fabrication du barreau, on fait subir aux enveloppes métalliques (10,18) un traitement de surface, tel qu'une anodisation pour des enveloppes en aluminium, réduisant l'absorption d'humidité et le dégazage par le matériau composite.