Brevet FR2640908A1 — publié le 19900629

L'invention appartient au domaine des composants textiles pour la fabrication des matériaux composites . Elle a plus particulièrement pour objet des structures textiles pouvant servir de renforts dans les matériaux composites Elle concerne également des fils techniques de configuration originale, destinés à de telles structures. On sait que les matériaux composites sont formés d'une combinaison intime de structures textiles de renfort et de matrices ou résines d'imprégnation . De tels matériaux trouvent de larges débouchés à l'heure actuelle , par exemple dans l'industrie aéronautique . Pour obtenir des matériaux ayant les propriétés recherchées , il est nécessaire d'utiliser une proportion assez élevée de structure textile , notamment en empilant diverses couches de renfort. On sait cependant que l'imprégnation par les résines de telles couches de renfort ne se réalise pas d'une manière optimale de sorte que, sous l'effet de contraintes mécaniques, on peut constater des dommages qui sont dus à une séparation de certainès couches au sein du renfort textile ce que l'homme du métier connaît sous le nom de "délaminage" On comprend que, compte-tenu des applications de tels matériaux composites , il soit indispensable de remédier à de tels inconvénients. L'un des moyens proposés dans l'art antérieur consiste à utiliser au moins pour partie dans le renfort textile,une structure multidimensionnelle, par exemple tridimensionnelle . De telles structures donnent satisfaction, mais elles sont longues et coûteuses à obtenir. En résumé, on peut dire que les critères actuels de choix d'une structure textile servant de renfort pour la fabrication de matériaux composites sont : la nature des fils , la répartition et l'orientation de ceux-ci, ainsi que leur mode de mise en oeuvre (par exemple sous forme de structures tissées ou de nappes unidirectionnelles).Ces critères sont utilisés en fonction des propriétés recherchées pour le matériau composite. La présente invention a pour objet des structures textiles et des fils dont la configuration permet de procurer un effet dimensionnel dans un renfort pour matériaux composites, ce qui permet de lutter efficacement contre le délaminage et par conséquent d'augmenter les performances et la sécurité des matériaux composites ainsi obtenus L'invention a pour objet une structure textile utile comme renfort dans la fabrication des matériaux composites , ladite structure étant réalisée au moins en partie avec des fils techniques comprenant une âme portant des composants en saillie conférant au fil une configuration en relief Par " fil technique", on entend tout fil susceptible d'être utilisé dans des structures destinées au renfort de matériaux composites , qu'il soit de nature minérale, artificielle ou synthétique .De tels fils , seuls ou en mélange, sont connus de l'homme du métier et sont par exemple choisis parmi les fils de carbone , aramide , verre quartz, silice ,carbure de silicium,céramique et similaires. Dans l'art antérieur , on avait déjà proposé dans certaines applications de faire subir à un fil un traitement de surface , dit de texturisation, destiné à lui conférer un aspect irrégulier . On notera tout d'abord qu'un tel traitement de texturisation ne peut être employé pour de nombreux fils techniques , notamment en raison de leur faible résistance à la flexion . Mais surtout, la texturisation modifie l'aspect du fil lui-même, sans adjonction d'aucun autre élément additionnel . D'ailleurs, l'effet de la texturisation n'est que superficiel et ne peut se comparer à une configuration en relief comme le prévoit la présente invention .Celle-ci, par exemple, peut provenir de l'adjonction de boucles et/ou de poils sur le fil support (âme). L'orientation de tels reliefs, par exemple de ces boucles et/ou poils,procure un effet multidirectionnel,qui peut être organisé ou au contraire aléatoire Dans l'art textile traditionnel , on sait réaliser des articles fantaisie comprenant des fils avec des éléments additionnels , par exemple du genre guirlandes. L'invention tire profit de ces techniques pour obtenir les fils techniques ayant une configuration en relief ,qui sont destinés aux structures de renfort pour matériaux composites. Un fil conforme à l'invention peut être réalisé en partant d'une âme, à laquelle on associe un fil comportant des boucles , régulières ou non , pour constituer un ensemble âme/fil à boucles, ledit ensemble étant solidarisé par au moins un fil de maintien ou de liage . On peut également réaliser un fil , ayant une configuration en relief avec des boucles , en associant à une âme une pluralité de fils à boucles , pour augmenter encore le caractère multidirectionnel des reliefs. Selon un autre mode de réalisation, on peut couper , dans une opération consécutive , les boucles en relief pour produire des éléments individuels ressemblant à des poils ou brindilles en saillie sur l'âme . D'autres variantes de réalisation permettent d'obtenir de telles structures avec des poils, par exemple en partant d'une âme à laquelle on associe un fil en zigzag, maintenu par un fil de liage et on procède ensuite à une découpe pour la formation des poils séparés L'homme du métier comprendra qu'un fil selon l'invention peut avoir des constitutions très variables selon la nature de ses composants .Le fil en question peut être " pur" , à savoir être formé d'un composant textile unique appartenant aux catégories de fils techniques mentionnées précédemment .Toutefois, même si la nature des composants est la même,par exemple pour l'âme , le fil en boucle ou en zigzag et le fil de liage , certains des composants peuvent eux-mêmes avoir des particularités de surface et avoir subi , si la nature du fil le permet , un traitement de texturisation , comme c'est le cas du verre. Conformément à l'invention , on peut aussi réaliser des fils " hybrides", comprenant une âme en un composant textile et au moins un fil à reliefs et/ou un fil de liage en au moins un autre composant textile . Un fil "hybride" peut également comprendre au moins un composant (âme, fil à reliefs , fil de liage) ayant lui-même une nature hybride.Un exemple typique de fil hybride est un fil comprenant une âme en silice ou en carbone et des reliefs en carbone. L'invention procure donc un moyen d'associer des composants de fils techniques , selon les propriétés désirées dans la structure textile finale . A la connaissance du demandeur il n'a jamais été proposé jusqu'à présent de combiner une âme support avec des éléments additionnels pouvant être différents , dans leur nature, de ladite âme Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, les structures textiles utiles comme renforts dans la fabrication de matériaux composites,comprennent au moins un fil à configuration en relief Une telle structure textile peut être du genre unidirectionnel ou multidirectionnel , par exemple tissu nappe , enroulement filamentaire et similaires. De telles structures peuvent être constituées exclusivement de fils à configuration en relief ou, en variante, être constituées d'une combinaison de fils à configuration en relief et de fils traditionnels .A titre d'exemple , on peut réaliser un tissu avec un fil à configuration en relief en mélange avec une pluralité de fils normaux Ces structures textiles sont essentiellement destinées à servir de renforts pour matériaux composites L'invention a encore pour objet un renfort pour matériaux composites , comprenant au moins une structure textile à fils à configuration en relief du genre mentionné cidessus . Un tel renfort peut être constitué exclusivement de structures textiles selon l'invention ou en variante être constitué d'une combinaison de structures selon I nvention et de structures textiles traditionnelles. A titre d'exemple, on peut réaliser selon l'invention un renfort de type stratifié constitué d'un empilement de structures telles que des tissus ou des nappes unidirectionnelles 1 l'empilement pouvant être homogène c'est-à-dire comprendre des structures de nature similaire ou mixte , par exemple avec une alternance de couches traditionnelles et de couches réalisées à partir de structures réalisées conformément à l'invention. Grâce a' l'invention , l'homme du métier dispose de beaucoup de possibilités pour obtenir les renforts les plus appropriés Bien que l'invention permette d'obtenir , grâce aux configurations en relief des fils , des orientations multidirectionnelles très intéressantes , il est parfaitement possible de réaliser des structures du genre tridimensionnel (3D) en utilisant au moins en partie de tels fils Par ailleurs, les fils selon l'invention peuvent être mis en oeuvre dans des structures textiles qui peuvent être commercialisées en tant que telles.Mais on peut aussi fournir à l'utilisateur final un fil à configuration en relief pouvant être mis en oeuvre dans une technique d'enroulement filamentaire (bobinage) conformément à la forme de l'article en matériau composite à obtenir Les fils selon l'invention et les structures textiles correspondantes peuvent comprendre des composants destinés à faciliter la fabrication du matériau composite . Par exemple, l'âme du fil peut être imprégnée ou revêtue au préalable de matière thermoplastique, comme cela est connu pour les fils dits FIT .Egalement, les structures textiles peuvent recevoir une adjonction de poudre thermoplastique permettant de faciliter leur manipulation et leur mise en oeuvre finale Selon l'invention, l'utilisation dans une structure textile de fils ayant une configuration en relief: -assure une meilleure cohésion de la structure textile, - permet de réaliser des jours entre certains de ses composants, par exemple entre fils de trame et fils de chaîne dans le cas d'un tissage - de façon générale, permet de régler le remplissage textile et -procure un accroissement considérable de l'accrochage et de l'adhérence -de la matrice (par exemple résine) à la structure textile lors du processus de mise en oeuvre du composite (par exemple par injection), -et des couches constitutives d'un empilement dans le matériau composite, les unes par rapport aux autres. L'invention assure ainsi une meilleure tenue au délaminage des matériaux composites,notamment en cas d'impact. L'invention sera encore illustrée sans être aucunement limitée par la description qui suit faite en référence aux dessins annexés sur lesquels Fig.l représente les constituants d'un fil pour structure textile conforme à l'invention; Fig.2 illustre le fil correspondant à la figure 1 et présentant une configuration en relief avec des boucles; Fig.3 illustre l'obtention d'un fil ayant une configuration en relief avec des poils; Fig.4 illustre une structure textile selon l'invention; Fig.5 illustre une variante de structure textile; Fig.6 montre schématiquement un empilement de structures textiles utilisables comme renfort pour matériaux composites Le fil illustré aux figures 1 et 2 est désigné par la référence générale 10 . Il comporte essentiellement une âme 1 rendue solidaire d'un fil 2 bouclé , par un fil de liage 3.La figure 1 illustre les trois composants du fil 10 et la figure 2 montre le fil après fabrication. La représentation de la figure 2 est quelque peu déformée pour mettre en évidence les divers composants du fil;dans la pratique, ceux-ci sont intimement associés . On voit que ce fil 10 comporte des configurations en relief 4,sous forme de boucles, dont l'orientation dans l'espace est variable autour de l'âme 1 , ce qui procure un effet multidimensionnel autour du fil La figure 3 illustre un mode de mise en oeuvre similaire , mais pour réaliser un fil comportant des poils. On a représenté schématiquement les trois constituants du fil qui est désigné par la référence générale 20 , à savoir une âme 21, un fil 22 ayant une configuration générale en zigzag et un fil de liage 23.Les trois constituants sont solidarisés de manière connue sur un métier textile et le fil 20 se déplace longitudinalement selon le sens de la flèche F pour aboutir à un dispositif 25 de découpe qui arase les extrémités en zigzag du fil 22 pour réaliser des poils 24 faisant saillie sur l'âme 21 et conférant ainsi au fil 20 une configuration en relief. On peut répéter les opérations de fabrication , que ce soit pour des fils à boucles ou des fils à poils, pour leur conférer une pluralité de configurations en relief et ces opérations peuvent être réalisées simultanément au moment de la production du fil ou encore successivement La figure 4 illustre de manière schématique une nappe unidirectionnelle 30 comportant des fils 31 à relief conformes a' l'invention, qui sont maintenus par un liage 32. La figure 5 illustre un tissu 40 comportant en chaîne et/ou en trame des fils 41 conformes à l'invention et des fils 42 traditionnels La figure 6 montre un empilement de structures textiles pouvant servir de renfort dans la fabrication des matériaux composites . Ce renfort désigné par la référence générale 50 comprend, dans l'exemple représenté, trois cou ches de tissus 51, 52 , 53 . Les couches 51 et 53 sont des tissus conformes à l'invention avec des fils ayant une configuration en relief , tandis que la couche 52 est un tissu traditionnel Il va sans dire que les indications ci-dessus ne sont données qu'à titre illustratif et qu'on peut varier les combinaisons de fils selon l'invention et de fils traditionnels , comme celles des structures selon l'invention et des structures connues. On notera aussi que les figures 4 à 6 illustrent des structures textiles réalisées sous forme de tissus ou de nappes unidirectionnelles. Les fils selon l'invention peuvent être également mis en oeuvre, ainsi qu'on l'a mentionné précédemment , dans des structures tridimensionnelles ou à titre d'enroulement filamentaire . Par exemple on peut réaliser avec de tels fils des bobinages qui peuvent être directement imprégnés d'une résine de manière à produire un matériau composite L'invention sera encore illustrée par un exemple de structure textile conforme à I'invention,obtenue à partir d'un fil technique du type général décrit à la figure 2 Cette structure textile est un tissu ayant les caractéristiques suivantes: - Tissu unidirectionnel : 700 g/m2 - Armure : Taffetas - Contexture : 3,3 fils/cm x 10 coups/cm - Matière chai ne : verre E 11 Tex ensimage textile - Matière Trame : fil technique selon l'invention décrit ci-dessous. Le fil technique selon l'invention est réalisé avec trois fils de titre différent - âme 1 : fil en verre E 300 Tex ensimage textilo plastique, - fil à boucles 2: fil comportant des boucles en verre E 34 Tex ensimage textiloplastique, - fil de liage 3: fil en verre E 68 Tex ensimage textiloplastique. Les boucles 4 du fil 2 sont disposées régulièrement tous les 2,5 mm, leur nombre par mètre étant donc de 400 environ Le diamètre moyen des boucles 4 est de 4 mm. Par ailleurs, on constate que le fil technique réalisé selon l'invention présente un effet dimensionnel avec une répartition de 60% de fibres dans la direction trame (direction X )et de 60% de fibres dans les directions Y et Z, la direction Y étant perpendiculaire à la direction X et la direction Z orthogonale au plan formé par les deux directions X et Y. En conséquence, le tissu obtenu en utilisant des fils techniques conformes à l'invention présente des fibres perpendiculaires au plan de tissage avec une masse de fibres: -dans la direction X (direction Trame) égale à 420 g/m2 -dans les directions Y et Z égale à 280 g/m2. Afin de mettre en évidence les avantages procurés par l'invention, on a comparé la résistance en flexion d'un composite réalisé par empilement de tissus conformes à l'invention et d'un composite réalisé par empilement de tissus traditionnels. a)Afin de réaliser un composite C1 utilisant les structures de l'invention,différentes couches de tissu tel que décrit ci-dessus ont été empilées dans la même direction (voir par exemple figure 6 précédemment décrite). Lors de l'empilage des différentes couches, on peut déjà constater une imbrication intime des boucles des différentes couches les unes dans les autres. Une fois les différentes couches empilées, un composite Cl est réalisé par le procédé d'injection sous vide et sous pression de résine, en l'occurrence une résine époxy (CIBA GEIGY X 3052 A/B). b)aux fins de comparaison,on réalise un composite C2 dans les mêmes conditions opératoires à l'aide du tissu suivant -Tissu unidirectionnel: 425 g/m2 -Armure : Taffetas -Contexture : 3,3 fils/cm x 14 coups/cm -Matière chaîne: verre E 11 Tex ensimage textile -Matière trame : verre E 300 Tex ensimage textilo plastique. Ainsi, compte tenu de la structure du tissu cidessus, la masse de fibres dans la direction X (direction trame) est égale à 420 g/m2 c'est-à-dire identique à celle du tissu réalisé en utilisant les fils techniques conformes à l'invention. Aux fins de comparaison, on a soumis les composites C1 et C2 définis ci-dessus à des essais de flexion selon la norme NF T 57-105 (Juin 1977). Elle correspond à la norme européenne EN63 de Mars 1977 intitulée "Détermination des caractéristiques de fléxion- Méthode des trois pannes" . Les essais ont été réalisés dans le sens trame (direction X). Les masses et volumes travaillant dans cette direction sont identiques pour les deux composites C1 et C2. Sous une force appliquée de 1050 N, on constate que le composite C2 casse brutalement, contrairement au composite C1 qui possède un allongement à la rupture nettement plus important . Le seuil de rupture du composite C1 est progressif alors que le composite C2 présente une rupture franche. On voit donc que les composites fabriqués avec des structures textiles selon l'invention possèdent des résistances supérieures à la flexion et à l'impact vis-à-vis des composites similaires traditionnels. REVENDICATIONS l.Structure textile, utile comme renfort dans la fabrication des matériaux composites , ladite structure étant réalisée au moins en partie avec des fils techniques (10,20)comprenant une âme (1,21) portant des composants (4, 24) en saillie,conférant au fil (10, 20) une configuration en relief. 2.Structure textile selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fils techniques sont tous des fils susceptibles d'être utilisés dans des structures destinées au renfort de matériaux composites, lesdits fils pouvant être de nature minérale, artificielle ou synthétique et étant par exemple choisis parmi les fils de carbone, aramide, verre, quartz, silice, carbure de silicium , céramique et similaires , seuls ou en mélange 3.Structure textile selon l'une des revendications 1 ou 2 , caractérisée par la présence de boucles (4) et/ou de poils (24) sur l'âme (1,21). 4.Structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisée en ce que l'orientation des reliefs, par exemple des boucles (4) et/ou des poils (24), procure un effet multidirectionnel, qui peut être organisé ou aléatoire. 5.Structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les fils techniques comprennent une âme (1,21),au moins un fil comportant des boucles (2) et/ou en zigzag (22) et au moins un fil de liage (3, 23). 6.Structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 , caractérisée en ce que les constituants des fils techniques sont de même nature textile 7.Structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 , caractérisée en ce que les fils techniques sont hybrides, ses constituants n'étant pas de meme nature 8.Structure textile selon la revendication 7, caractérisée en ce que les fils hybrides comprennent une âme en un composant textile et au moins un fil à reliefs et/ou un fil de liage en au moins un autre composant textile. 9.Structure textile selon la revendication 7,caractérisée en ce que les fils hybrides comprennent au moins un composant (âme , fil à reliefs, fil de liage) ayant luimême une nature hybride. 10.Structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que certains des constituants des fils techniques présentent eux-mêmes des particularités de surface , par exemple après avoir subi, si la nature du fil le permet , un traitement de texturisation en soi connu. 11.Structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ,caractérisée en ce qu'elle est du genre unidirectionnel ou multidirectionnel , par exemple tissu, nappe, enroulement filamentaire et similaires. 12.Structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle est constituée exclusivement de fils à configuration en relief ou d'une combinaison de tels fils avec des fils traditionnels. 13.Renfort pour matériaux composites , comprenant au moins une structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 14.Renfort selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est constitué exclusivement de structures textiles selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 ou d'une combinaison de telles structures,avec des structures textiles traditionnelles 15.Fil technique à configuration en relief, en tant qu'utilisé pour la réalisation des structures textiles selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 et des renforts selon l'une des revendications 13 ou 14. 16.Structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, renfort selon l'une des revendications 13 et 14 et fil selon la revendication 15, caractérisés en ce qu'ils comprennent des composants destinés à faciliter la fabrication du matériau composite, par exemple des fils imprégnés ou revêtus au préalable de matière thermoplastique 17. Structure textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, renfort selon l'une des revendications 13 et 14, et fil selon la revendication 15 , caractérisés en ce qu'ils reçoivent une adjonction de poudre thermoplastique