Brevet FR2647601A1 — publié le 19901130

-1- 2647601 La présente invention est relative à un matériau compo- site renforcé de fibres pour des structures porteuses pour l'ab- sorption des ondes électromagnétiques. Les matériaux composites renforcés de fibres pour des structures porteuses se caractérisent par une résistance et une rigidité spécifique élevées qui sont essentiellement déterminées par les fibres utilisées et la part en volume des fibres. La matrice constituée le plus souvent d'une résine organique réalise la liaison des différents lits de fibres en réalisant un matériau composite. La matrice doit présenter des caractéristiques chimiques et mécaniques élevées. Dans la cons- truction aéronautique, on utilise principalement des matériaux composites renforcés de fibres qui sont réalisés par empilement de feuilles pré-imprégnées, durcies par passage en autoclave. Dans de telles structures constituées de matériaux composites métal-fibre, on met en place en vue de l'absorption d'ondes électromagnétiques, par exemple 'par collage, des feuil- les, couches ou mats spéciaux supplémentaires. Cela a pour incon- vénient de provoquer un supplément de poids, un risque accru en ce qui concerne l'adhérence et la stabilité, par exemple un effilochage au niveau des bords des mats ou des plaques, un amoindrissement de l'aérodynamisme par suite de la plus grande rugosité de surface, les zones de Joints des mats ou plaques assemblés et de la nécessité d'une surveillance accrue d'un décollement éventuel des couches. On conna!t d'après la demande de brevet allemand 31 17 245 un procédé pour camoufler des objets quelconques, principale- ment métalliques, contre une identification par radar ainsi que pour protéger des objets quelconques vis-à-vis de champs électro- magnétiques, dans lequel les objets présentent sur leur surface, en totalité ou partiellement, un tissu polaire textile métallisé dont le c8té qui possède le pôle se trouve en direction du rayon- nement incident. Ceci présente l'inconvénient que le tissu po- laire est une couche appliquée en supplément, par exemple par collage, sur une surface de l'objet, apporte ainsi un poids supplémentaire et ne présente simultanément aucune fonction -2- 2647601 porteuse. Le tissu polaire n'est pas approprié à 1' application sur des surfaces extérieures d'avions du fait de sa faible résis- tance aux contraintes, par exemple vis-à-vis de l'érosion par la pluie et du fait des qualités de surface aérodynamiques. Un absorbeur d'ondes électromagnétiques connu à cet effet par la demande de brevet allemand 33 1l 001 comprend essen- tiellement des fibres en carbure de silicium (Si-C) et peut for- mer un matériau composite renforcé de fibres. La construction qui est décrite se compose de tissu en carbure de silicium ou en composite tissu résine, les fibres devant présenter une conducti- bilité appropriée et l'on utilise un réflecteur métallique termi- nal (cSté arrière). La construction de cet absorbeur fonctionne sur le principe de l'absorbeur en couche "A /4". L'épaisseur de la couche absorbante homogène sans la poutre terminale réfléchis- sante a ainsi pour valeur un quart de la longueur d'onde de résonance, si l'on ne tient pas compte des corrections qui sont nécessitées par les pertes électriques. La plaque métallique prévue ici comme réflecteur ne constitue naturellement pas un composant du composite renforcé de fibres ce qui constitue un inconvénient pour une structure porteuse. Dans l'agencement d'absorption connu d'après la de- mande de brevet japonais 52-44542 l'on dispose sur le côté avant d'un inducteur une couche mince de fibres de carbone et sur le côté arrière une couche de réflexion. Ici également la couche de fibres de carbone utilisée n'a pas de fonction porteuse; elle sert uniquement de rigidificateur et de protection thermique pour l'inducteur. Un dispositif connu d'après le brevet U.S. 25 99 944 utilise pour l'absorption d'un rayonnement électromagnétique à haute fréquence un récipient dont la paroi se compose de maté- riaux différents disposés les uns sur les autres selon des épais- seurs différentes par exemple du bois, des métaux ou une toile textile. Dans ce cas, la construction en couches de la paroi s'effectue en principe de telle manière que la couche externe soit une plaque métallique, la couche centrale soit en bois, et _3 U42647601 la couche interne soit une toile textile revêtue de graphite. La plaque métallique peut être disposée entre deux couches de bois. Une structure porteuse telle qu'elle est nécessaire dans la construction aéronautique n'existe également pas ici. Enfin on conna!t également d'après la demande de bre- vet allemand 33 07 066 un matériau composite renforcé de fibres à plusieurs couches pour structure porteuse dans lequel l'effet d'absorption est obtenu par adjonction de charge dont la concen- tration augmente en direction de la surface qui est opposée à la surface soumise au rayonnement. L'inconvénient réside ici dans le fait que l'adjonc- tion des charges dans le matériau composite renforcé de fibres exige une grande précision lors de la fabrication car des impré- cisions en ce qui concerne l'épaisseur des différentes couches et des défauts d'homogénéité influencent de manière négative la largeur de bande de fréquence prédéterminée et l'amortissement et ainsi l'effet souhaité d'absorption n'est obtenu que de ma- nière insuffisante. On met en oeuvre ici le principe de ce que l'on appelle l'absorbeur non homogène pour des transitions de matières quasi continues (voir par exemple Meyer E. et Pottel R. Fortschritte der Hochfrequenztechnik, Volume 5, 1960). La présente invention a pour but de réaliser un maté- riau composite renforcé de fibres pour structure porteuse tel que d'une part il présente les propriétés nécessaires à cet effet tel qu'une résistance mécanique thermique et chimique remarquable et qu'il soit d'autre part en même temps réalisé de manière à absorber dans une plage de fréquences prédéterminée les ondes ou le rayonnement électromagnétique de manière à être au moins équivalent aux absorbeurs correspondants habituels. Le matériau selon l'invention se caractérise essentiel- lement par le fait qu'il comprend par construction au moins trois couches se distinguant par leur constante électromagnéti- que propre à la substance, dans lequel pour les couches on utilise un ou plusieurs lits de fibres et les lits de fibres présentent, en couches alternées, une conductibilité électrique élevée ou faible de telle manière que les constantes électroma- 4 2647601 gnétiques propres à la substance des couches constituées des lits de fibres et de liant et les épaisseurs de couches sont adaptées mutuellement de telle sorte que l'affaiblissement de réflexion est intégralement maximisé dans une plage de fréquen- ces prédéterminée. Le matériau selon l'invention peut en outre présenter les caractéristiques suivantes: - la dernière couche active pour l'affaiblissement de réflexion présente un facteur de réflexion élevé, - on utilise pour la couche une fibre à haute conducti- bilité électrique, par exemple une fibre de carbone, - la partie réelle des constantes diélectriques dans les couches intermédiaires diélectriques, c'est-à-dire dans les couches pour lesquelles on utilise des fibres avec une faible conductibilité électrique, est augmentée par des parts minimes de charges, - la part des charges dans les différentes couches peut être différente, - les couches pour lesquelles on utilise des fibres ayant une conductibilité électrique faible peuvent présenter des courants de conduction non négligeables, - les couches pour lesquelles on utilise des fibres ayant une conductibilité électrique élevée peuvent présenter des courants de polarisation non négligeables, - les couches présentent des épaisseurs telles que les produits de chaque épaisseur et de la valeur du nombre d'ondes complexe ne doit pas être faible vis-à-vis de 1, - on utilise comme matrice outre des résines thermo- durcissables également des matières thermoplastiques telles que les polyéthers-éther-cétone (PEEC), les polyétherimides (PEI) ou les polysulfones, - la première couche tournée vers les ondes incidentes est revêtue d'une couche de protection vis-à-vis de l'érosion par exemple en PEEC, PEI ou vernis polyuréthane. Avec le même objectif, l'absorbeur selon l'invention se distingue des absorbeurs connus (DE-OS 33 07 066 et DE-OS 33 264760 1 11 001) sous un double point de vue. D'une part, la construction repose ici sur un principe d'absorption totalement différent et d'autre part on renonce ici totalement ou partiellement à l'ad- jonction de charges. La structure d'absorbeur peut être mise en oeuvre uniquement à l'aide de fibres et de tissu en liaison avec des liants utilisés comme matrice qui sont des composants natu- rels de composite renforcé de fibres. Il en résulte l'avantage supplémentaire que pour le dimensionnement structurel par rap- port aux exigences mécaniques (structure porteuse) on peut re- prendre des critères connus. Dans le cas o cet avantage n'est pas d'un intérêt particulier la profondeur de construction de l'absorbeur peut, le cas échéant, être réduite par une part minime de charges. La construction selon l'invention de l'absorbeur est basée sur le principe de l'écran Salisbury (voir Salisbury W.W. brevet US 25 99 944) qui est également connu comme principe de l'absorbeur en feuilles (voir par exemple Meyer E. et Pottel R. dans Fortschritte der Hochfrequenztechnik, Volume 5, 1960); cependant les critères habituels de dimensionnement vis-à-vis des propriétés des feuilles et des couches diélectriques intermé- diaires sont sciemment modifiés. L'exigence d'épaisseur de feuille faible, le caractère négligeable des courants de pola- risation dans les couches de feuilles et des courants de conduc- tion dans le diélectrique ne sont pas conservés ici. Ces condi- tions sont avantageuses lorsque pour la construction on doit déterminer des paramètres nécessaires par des moyens analyti- ques. L'utilisation de moyens de calcul électroniques permet de renoncer à des simplifications et d'obtenir de cette manière des avantages en ce qui concerne la largeur de bande et la profon- deur de construction. En ce qui concerne le matériau pour le tissu à utili- ser il n'existe selon l'invention aucune limitation. En particu- lier pour la fraction peu importante en volume que constituent les couches que l'on peut désigner par "feuilles" on peut utili- ser un tissu de carbure de silicium de conductibilité appropriée mais cependant on peut également utiliser aussi bien une fibre -6- 64760 1 de carbone de résistance choisie. Comme couche terminale réflé- chissante, on peut utiliser une couche de fibre de carbone de conductibilité électrique extrêmement élevée dont la longueur d'onde est pratiquement nulle. Une plaque métallique telle qu'elle est prévue dans les absorbeurs connus peut cependant et de la même manière remplir les exigences voulues, mais elle est en règle générale moins utilisable car elle ne constitue pas un composant naturel du composite renforcé de fibres. On va décrire dans la suite des exemples de réalisa- tion en se référant au dessin annexé dans lequel: La figure i illustre le principe d'un matériau compo- site renforcé de fibres réalisé à partir de huit couches diffé- rentes, La figure 2 illustre de manière plus détaillée un matériau composite renforcé de fibres constitué de trois couches et d'une couche de protection supplémentaire. Dans la figure 1, on a illustré une construction de principe d'un matériau composite renforcé de fibres 1 du type de l'invention. Pour le matériau composite renforcé de fibres est constitué ici à titre d'exemple de huit couches différentes 2,3, 4,5,6,7,8,9. Parmi celles-ci, la couche inférieure 2 opposée au rayonnement électromagnétique incident sert de réflecteur qui ne doit pas posséder un facteur de réflexion idéal. Cette couche 2 qui doit être réalisée en utilisant une fibre présentant une conductibilité extrêmement élevée est suivie par une couche diélectrique intermédiaire 3 pour laquelle on utilise des fibres présentant une valeur ohmique élevée ou pratiquement non conduc- trice. La couche suivante 4 que l'on peut désigner comme feuille modifiée présente des pertes relativement élevées. Elle est réalisée avec des fibres dont la conductibilité présente des valeurs élevées par rapport à celles dans la couche diélectrique intermédiaire 3 mais est cependant limitée vers le haut par le fait que la couche 4 doit être partiellement perméable vis-à-vis du rayonnement incident. Il y a à la suite en alternance d'autr- es couches 5,6,7,8 et 9 du type décrit 3 et 4, les deux formes de réalisation étant possibles pour la couche la plus élevée. -7- 2647601 Les couches 4, 7 et 9 qui présentent des pertes électriques relativement élevées peuvent être de réalisations très différen- tes en ce qui concerne les constantes électromagnétiques propres à la substance et les épaisseurs. Cela vaut également pour les couches diélectriques intermédiaires 3,5,6,8. La figure 2 représente une construction du principe général illustré à la figure I dans la réalisation la plus sim- ple dans laquelle les couches individuelles sont décrites de manière détaillée. La couche 2 se compose par exemple de plu- sieurs lits de composite renforcé de fibres de carbone 10,11,12, 13, le lit 13 servant de réflecteur et les lits supplémentaires ,11,12 étant utilisés pour l'adaptation aux exigences de résis- tance mécanique. La résistance spécifique pour le tissu du ré- flecteur possède par exemple des valeurs de.S10- 6 Q.cm. La couche 2 est suivie d'une couche diélectrique intermédiaire 3 qui par exemple se compose d'un composite de fibre aramide avec les lits de fibres 14,15,16,17,18,19,20,21. Ainsi l'on utilise par exemple une fibre de Kevlar, la couche est transparente aux ondes incidentes c'est-à-dire pratiquement exempte de pertes. Le Kevlar présente un point spécifique faible et se prête avantageu- sement à une solution favorable en poids. Pour réduire la profon- deur de construction, on peut dans la mesure du nécessaire, introduire une part minime de charges 22. La couche supérieure 4 ou 9 peut par exemple être réalisée à partir de deux lits de tissu à fibre de carbone 23,24 qui possèdent une résistance spécifique de J 220 n.cm qui est ainsi faible par rapport à la résistance de la fibre utilisée pour la couche intermédiaire. La couche ainsi réalisée présente dans cette réalisation une partie réelle non négligeable de la constante diélectrique com- plexe c'est-à-dire que pour le dimensionnement on doit prendre en compte les courants de polarisation qui se produisent. En outre, l'épaisseur de la couche ne doit pas être considérée comme faible vis-à-vis de la valeur réciproque de la valeur du nombre d'ondes complexe. Si la construction ne correspond pas aux critères usuels d'un absorbeur en feuilles dans lequel au lieu de cette couche, on utilise une couche métallique ayant une -8- 2647601 résistance superficielle égale à l'impédance caractéristique du vide de 377. Indépendamment des avantages mécaniques, cette construction est également avantageuse en ce qui concerne la largeur de bande et la profondeur de construction. La couche 9 peut de manière spéciale être revêtue dans la zone d'érosion par la pluie d'une couche de protection 25,26 en matériau thermoplas- tique tel que par exemple une couche mince de polyéther-éther- cétone (PEEC) qui doit être prise en compte pour le dimension- nement et ne provoque aucun inconvénient en ce qui concerne l'affaiblissement des réflexions. Le fonctionnement du matériau composite renforcé de fibres en tant qu'absorbeur est basé par construction sur une forme qui constitue une modification de ce que l'on appelle l'absorbeur en feuille. Pour le matériau composite renforcé de fibres, cela signifie dans le mode de réalisation le plus simple une structure à trois couches différentes en ce qui concerne les constantes électromagnétiques propres à la substance:une cou- che en matière plastique/fibre à haute conductibilité en tant que réflecteur, une couche intermédiaire relativement transpa- rente en fibre en valeur ohmique élevée telle que par exemple du Kevlar et une couche en feuille qui par exemple est avantageuse- ment réalisée à partir d'une fibre de carbone préparée une fibre métallisée ou une fibre de carbure de silicium. Au lieu de la fibre de Kevlar, on peut également utiliser pour la couche inter- médiaire une fibre de verre, une fibre céramique (A1203) et une fibre carbure de silicium à valeur ohmique relativement élevée. Par l'utilisation d'une matrice thermoplastique, on accroit la sensibilité aux chocs, aux coups et à la rupture d'un absorbeur. Par le choix de fibres appropriées avec des coeffi- cients de dilatation thermique correspondants, on obtient lors de l'échauffement dans les différentes couches les dilatations thermiques identiques, ce par quoi les contraintes internes restent faibles. -9- REVENDICATIONS 1. Matériau composite renforcé de fibres pour structu- res porteuses pour l'absorption d'ondes électromagnétiques, caractérisé par le fait qu'il comprend par construction au moins trois couches (2,3,4,5,6,7,8,9) se distinguant par leur cons- tante électromagnétique propre à la substance, dans lequel pour les couches (2 à 9) on utilise un ou plusieurs lits de fibres (10,11,12,13; 14,15,16,17,18,19,20,21; 23,24) et les lits de fibres présentent, en couches alternées, une conductibilité électrique élevée ou faible de telle manière que les constantes électromagnétiques propres à la substance des couches (2 à 9) constituées des lits de fibres (13 à 21 et 23,24) et de liant et les épaisseurs de couches sont adaptées mutuellement de telle sorte que l'affaiblissement de réflexion est intégralement maxi- misé dans une plage de fréquences prédéterminée. 2. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la dernière couche (2) active pour l'affaiblissement de réflexion présente un fac- teur de réflexion élevé. 3. Matériau composite renforcé de fibres selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on utilise pour la couche (2) une fibre à haute conductibilité électrique, par exemple une fibre de carbone. 4. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie réelle des constantes diélectriques dans les couches intermédiaires diélectriques, c'est-à-dire dans les couches (3,5,6,8) pour lesquelles on utilise des fibres avec une faible conductibilité électrique, est augmentée par des parts minimes de charges (22). 5. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la part des charges (22) dans les différentes couches (3,5,6,8) peut être différente. 6. Matériau composite renforcé de fibres selon les revendications 1, 4 et 5, caractérisé par le fait que les cou- ches (3,5,6,8) pour lesquelles on utilise des fibres ayant une -10- 2647601 conductibilité électrique faible peuvent présenter des courants de conduction non négligeables. 7. Matériau composite renforcé de fibres selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les couches (2,4, 7,9) pour lesquelles on utilise des fibres ayant une conductibi- lité électrique élevée peuvent présenter des courants de polari- sation non négligeables. 8. Matériau composite renforcé de fibres selon les revendications 1 et 7, caractérisé par le fait que les couches (4,7,9) présentent des épaisseurs telles que les produits de chaque épaisseur et de la valeur du nombre d'ondes complexe ne doit pas être faible vis-à-vis de 1. 9. Matériau composite renforcé de fibres selon les revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'on utilise comme matrice outre des résines thermodurcissables également des matières thermoplastiques telles que les polyéthers-éther-cétone (PEEC), les polyétherimides (PEI) ou les polysulfones. 10. Matériau composite renforcé de fibres selon les revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la première couche (4,7 ou 9 selon le nombre de couches) tournée vers les ondes incidentes est revêtue d'une couche de protection vis-A- vis de l'érosion (26) par exemple en PEEC, PEI ou vernis poly- uréthane.