Brevet FR2655036A1 — publié le 19910531

L'invention concerne de nouveaux matériaux complexes à matrice organique-métallique, un procédé de fabrication de tels matériaux composites et l'utilisation de ces matériaux composites pour la fabrication de produits de haute technologie destinés notamment à l'aérospatial ou aux véhicules à grande vitesse, tels que TGV. On connait depuis de nombreuses années de multiples matériaux composites comprenant une matrice, notamment de type céramique, renforcés d'éléments de renforcement, par exemple sous la forme de fibres. Les problèmes techniques rencontrés dans les matériaux composites concernent essentiellement l'adhésion de la matrice aux éléments de renforcement,en général des fibres. Divers procédés ont été proposés pour améliorer cette adhesion grâce à des traitements particuliers des éléments de renforcement (voir EP-B-0179688). De nombreux perfectionnements peuvent encore être apportés aux matériaux composites, notamment en ce qui concerne leur capacité d'écoulement des charges électrostatiques, concernant leur température d'inflammibilité, sans dégagement de gaz toxiques, et concernant leurs qualités physiques et mécaniques. La présente invention a donc pour but principal de fournir de nouveaux matériaux composites présentant une bonne ou même excellente capacité d'écoulement des charges électrostatiques, une température d'inflammibilité élevée de préférence au moins égale à 9000C ou même 10000C, ainsi que des propriétés physiques et mécaniques élevées, notamment une très bonne dureté, une résistance à la flexibilité/rupture, une résistance excellente aux délaminages. La présente invention a pour but de résoudre le nouveau problème technique énoncé ci-dessus à l'aide d'une solution particulièrement simple, versatile, qui permet de régler la composition des matériaux composites en fonction d'innombrables applications industrielles, en particulier dans le cadre de la fabrication de produits de haute technologie destinée notamment à l'aéronautique, l'aérospatial ou les les véhicules à gran de vitesse, tels que TGV. ou dans l'automobile,ou les produits ininflammabàeS#résente invention résout pour la première fois les problèmes techniques énoncés ci-dessus d'une manière simultanée, simple, relativement peu coûteuse, utilisable à l'échelle industrielle. Ainsi, selon un premier aspect, la présente invention fournit un matériau composite complexe comprenant une matrice à matériau organique et des fibres de renforcement, caractérisé en ce que ladite matrice est formée à partir d'une combinaison d'un matériau organique et d'un matériau métallique, de préférence intimement mélangés. Selon une variante de réalisation de l'invention, le matériau composite est caractérisé en ce que le matériau métallique et/ou le matériau organique sont initialement sous forme d'une poudre, puis le matériau est traité thermiquement pour obtenir un frittage de la poudre métallique et une fusion de la poudre organique pour former ladite matrice. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la poudre du matériau organique et la poudre du matériau métallique ont une granulométrie voisine, de manière à améliorer l'homogénéité du mélange. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le matériau composite est caractérisé en ce que la granulométrie moyenne du matériau organique et/ ou du matériau métallique est inférieurwà environ 500 microns, avantageusement inférieure à environ 100 microns et peut être comprise entre 0,1 micron et 100 microns. Selon une variante de réalisation particulière de l'invention, le matériau composite est encore caractérisé en ce qu'une partie du matériau organique peut être remplacée par un matériau minéral de type céramique, en particulier la proportion de remplacement du matériau minéral est comprise entre O et 30%, encore de préférence entre 0 et 20%, en poids.De préférence, le matériau minéral est choisi parmi les oxydes métalliques donnant naissance à un matériau céramique après frittage, en particulier l'oxyda d'aluminium, l'oxyde de zirconium, l'oxyde de magnésium, l'oxyda de lithium ou leurs mélanges en toutes proportions. Selon une autre variante de l'invention le matériau composite est caractérisé en ce que le matériau métallique est choisi parmi le groupe consistant des métaux de faible densité frittables, en particulier ceux habituellement utilisés dans le domaine aéronautique, aérospatial ou des véhicules à grande vitesse, en particulier l'aluminium, le magnésium, le lithium, ou des métaux lourds frittables, dont le point de frittage est de préférence voisin du point de fusion du matériau organique utilisé pour réaliser la matrice, en particulier le zinc, l'étain, le cuivre et leurs divers alliages, notamment le laiton. Selon une variante particulière de l'invention, le matériau organique utilisé est un matériau organique thermoplastique, par exemple les polyamides, et en particulier les polyamides polysulfures. Selon une autre variante de réalisation particulière de l'invention, le matériau organique est un matériau organique thermodurcissable, en particulier une résine du type époxyde. On comprend que, selon l'invention, il est possible de mélanger le matériau organique, éventuellement remplacé en partie par un matériau minéral de type céramique, et le matériau métallique, en toutes proportions selon le type de produit final recherché, réalisé avec le matériau composite, dans le cadre des applications préférées pour la fabrication de produits haute technologie, en particulier dans le domaine de 1' aérospatial, l'aéronautique, ou les véhicules grande vitesse, tels que TGV, ou dans l'automobile, ou des produits ininflammables. Une proportion avantageuse relative en poids en matériau organique, éventuellement remplacé en partie par un matériau minéral de type céramique, et en matériau métallique, est comprise entre 40/60 et 60/40. Par ailleurs, également, la proportion en poids des fibres de renforcement peut varier dans des limites extrêmement larges en fonction des produits que l'on veut réaliser à partir de ces matériaux composites. Cette proportion de fibres de renforcement peut être comprise entre environ 5% et environ 60%, et de préférence entre environ 10% et environ 50%, ou encore de préférence entre environ 20 et environ 50%, par rapport au poids total du matériau composite. Selon une variante de réalisation particulière de l'invention, à titre de fibres de renforcement, on utilise des fibres de renforcement de haute qualité, en particulier des fibres de renforcement organiques ou minérales obtenues à partir de carbone, verre, aramide, carbure de silicium, et notamment celles se présentant sous forme de réseaux fibreux, notamment sous forme monodirectionelle, bidirectionnele, tridirectionnelle, bouclé ou tissé. Selon une variante de réalisation avantageuse, les fibres de renforcement sont les fibres de carbone et la matrice est formée à partir de poudre de polyamide polysulfure, ainsi que d'une poudre d'aluminium ou de zinc, la granulométrie moyenne des grains de ces poudres étant d'environ 20 microns, la proportion relative étant comprise entre 40-60/60-40 en pourcentage en poids, cette matrice étant obtenue après un frittage ayant conduit à une fusion de la matrice organique, par exemple à environ 3300C., les fibres de renforcement constituant environ 40% en poids du matériau composite total. Selon un deuxième aspect, la présente invention fournit également un procédé de fabrication du matériau composite, précédemment défini, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes: a)on prévoit une chambre de traitement électrostatique capable de réaliser un traitement électrostatique en courant continu haute tension ou en courant alternatif haute tension; b)on introduit dans ladite chambre de traitement électrostatique une poudre de matériau organique et une poudre de matériau métallique; c) on procède à un traitement électrostatique de ces poudres ainsi introduites dans ladite chambre de traitement électrostatique, de préférence comprenant tout d'abord un traitement électrosta tique haute tension en courant continu pendant une période de temps suffisante pour charger électrostatiquement les particules de poudre de matériau organique et de matériau métallique, suivi d'un traitement électrostatique haute tension en courant alter natif pendant un temps suffisant pour provoquer un mélange homogène des poudres par l'agitation créée par le champ alter natif; d) on récupère le mélange de poudres homogénéisé ainsi obtenu; e) dans une zone de fabrication de matériau composite, on introduit des fibres de renforcement, en particulier sous forme de tissé, que l'on saupoudre de ce mélange homogène de poudres précédem ment obtenu, éventuellement en procédant à l'empilage de plusieurs couches successives également successivement saupoudrées du mélange homogène de poudres précédemment obtenu; f) on procède à un nouveau traitement électrostatique en courant alternatif haute tension pendant une période de temps suffisante pour que l'agitation des particules du mélange homogène pénètre intimement dans le réseau fibreux; g) on procède enfin à un traitement de frittage et de fusion par un traitement thermique sous pression, classique pour obtenir ledit matériau composite fini. Selon une variante avantageuse du procédé, celui-ci est caractérisé en ce que le traitement électrostatique en courant continu haute tension est réalisé sous une tension comprise entre environ 50 000 et environ 100 000 V. Selon une autre variante de réalisation du procédé selon l'invention, celui-ci est caractérisé en ce que le traitement électrostatique en courant alternatif est réalisé sous une tension élevée comprise entre environ 25 000 et environ 30 000 V. Ces traitements sont réalisés en général pendant un temps suffisant, habituellement de quelques minutes, pour aboutir aux effets techniques précédemment énoncés. Enfin, l'invention couvre également l'utilisation des matériaux composites précédemment décrits ou tels que préparés par le procédé ci-dessus énoncé pour la fabrication de produits composites pour une application haute technologie, en particulier dans le domaine de l'aéronautique, l'aérospatial, ou les véhicules grande vitesse, tels que TGV, ou dans l'automobile, ou des produits ininflammables. Les matériaux composites selon l'invention permettent de repousser la température d'inflammabilité des matériaux composites à des niveaux jamais atteints, ce qui constitue un avantage technique inattendu, déterminant, offrant des possibilités d'emploi dans tous les domaines. Par ailleurs, les matériaux composites selon l'invention présentent des qualités physiques et mécaniques extraordinairement améliorées par rapport aux matrices composites classiques. En outre, ces matériaux composites selon l'invention présentent les avantages combinés des matériaux métalliques, ainsi que des matériaux composites organiques, thermoplastiques ou thermodurcissables. Comme exemple de matériau organique thermoplastique, on citera les polyamides, en particulier les polyamides polysulfures comme matériau thermodurcissable, on citera en particulier la résine époxy. EXEMPLE 1 de réalisation On prépare un matériau composite particulièrement destiné à constituer un bord d'attaque d'aile d'avion qui requiert les caractéristiques suivantes - très bonne dureté, - résistance à la flexibilité/rupture d'au moins 1400 MPa, - capacité d'écoulement des charges électrostatiques en cas d'o rage. Pour ce faire, on utilise comme fibres de renforcement des fibres de carbone haute performance, sous forme de tissé ayant par exemple environ 70% en- poids de fibres dans le sens de la chaîna et environ 30% en poids de fibres dans le sens de la trame, la chaîne définissant le profil; - ces fibres de renforcement représentent environ 40% du poids total du matériau composite; - les 60% restants sont constitués par une matrice comprenant a) 30% en poids par rapport au poids total du matériau composite d'une poudre de matériau organique constitué par du polyamide polysulfure ayant une granulométrie d'environ 20 microns disponible dans le commerce notamment chez Solv#ay. b) 30% en poids d'une poudre de matériau métallique constituée d'une poudre d'aluminium ayant une granulométrie moyenne d'environ 20 microns disponible dans le commerce notamment chez Solvey. Ce matériau composite est préparé de la manière suivante On procède tout d'abord à l'introduction du matériau poudreux d'aluminium et de polyamide polysulfure dans une chambre de traitement électrostatique où ce mélange de poudre est soumis tout d'abord à un traitement électrostatique en courant continu haute tension d'environ 70 000 V, pendant environ 2 min, de manière à charger élactrostatiquemant les grains de poudre des deux matériaux, puis à un traitement électrostatique haute tension en courant alternatif à une tension d'environ 25 000 V pendant environ 5 min, de manière à provoquer un mélange intime des poudres grâce à la grande agitation particulaire résultant du courant alternatif du champ. On récupère le mélange intime ainsi obtenu et dans cette chambre de traitement électrostatique, ou dans une autre chambre de traitement électrostatique, on introduit les fibres de renforcement, de préférence déjà traitées par un procédé de traitement électrostatique, tel que décrit dans le document FR-A-84 14 800 (n de publication 2570646)de manière à dilater ou gonfler le tissu de fibres et à mordancer la surface des fibres, on saupoudre ce tissu de fibres avec le mélange de poudres précédemment obtenu. Dans une variante de réalisation, on peut procéder à un empilage successif de plusieurs couches de tissé de fibres de matériau de renforcement, selon l'épaisseur désirée pour le matériau composite, par exemple six couches, tout en saupoudrant de mélange intime de poudre précédemment obtenu entre chaque couche. On procède ensuite à un traitement électrostatique haute tension en courant alternatif à une tension d'environ 20 000 V pour provoquer un mélange intimme et une pénétration provoquée du mélange de poudres intimement dans le réseau de fibrcs, qui sont ainsi présentes de manière homogène au coeur de l'ensemble des fibres. Enfin, on procède à un traitement thermique sous pression élevée, classique pour provoquer un frittage du composant métallique et une fusion de la matrice organique, ici des polyamides polysulfures. Ce traitement thermique peut par exemple être réalisé à o 2 environ 330 C, sous une pression d'environ 60 kg/cm2. On obtient ainsi un matériau composite répondant aux caractéristiques techniques multiples exigées pour l'emploi dans l'aéronautique ou l'aérospatial. Il a été observé que ce matériau composite présente une résistance nettement améliorée à l'inflammabilité, sa température o d'inflammabilité est repoussée à au moins 900 C. En outre il présente une capacité parfaite d'écoulement des charges électrostatiques. EXEMPLE 2 On prépare un matériau composite comme décrit dans l'exemple 1, mais avec l'emploi de 30 % en poids de poudre de zinc en lieu et place de la poudre d'aluminium employée à l'exemple 1, dans les mêmes proportions de granulométrie.. On obtient un matériau composite présentant également des caractéristiques exceptionnelles pouvant être utilisées pour les véhicules de grandes vitesse, tels que TGV. Ce matériau composite a une caractéristique exceptionnelle d'évacuation des courants électrostatiques, ne dégage pas de gaz lors d'une inflammation et présente une température d'inflammabilité très élevée, supérieure à 10000C. REVENDICATIONS 1 - Matériau composite complexe, comprenant une matrice à matériau organique et des fibres de renforcement, caractérisé en ce que ladite matrice est formée à partir d'une combinaison d'un matériau organique et d'un matériau métallique, de préférence intimement mélangés. 2 - Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau métallique et/ou le matériau organique sont initialement sous forme d'une poudre, puis le matériau est traité thermiquement pour obtenir un frittage de la poudre métallique et une fusion de la poudre organique pour former ladite matrice. 3 - Matériau composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que la poudre du matériau organique et la poudre du matériau métallique ont une granulométrie voisine, de manière à améliorer l'homogénéité due mélange. 4 - Matériau composite selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la granulométrie moyenne du matériau organique et/ou du matériau métallique est inférieure à environ 500 microns,avantagausament#inférie6re à environ 100 microns et peut être comprise entre p,1 et 100 microns. 5 - Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une partie du matériau organique peut etre remplacée par un matériau minéral de type céramique, en particulier la proportion du matériau minérale de remplacement est comprise entre O et 30%, et encore de préférence entre 0 et 20%. 6 - Matériau composite selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau minéral est choisi parmi les oxydes métalliques donnant naissance à un matériau céramique après frittage, en particulier l'oxyde d'aluminium, l'oxyda de zirconium,l'oxyde de magnésium, l'oxyda de lithium, ou leurs mélanges en toutes proportions. 7 - Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau métallique est choisi parmi le groupe consistant des métaux de faible densité frittables, en particulier ceux habituellement utilisés dans le domaine aéronautique ou des véhicules à grande vitesse, en particulier, l'aluminium, le magnésium, le lithium, ou des métaux lourds frittables, dont le point de frittage est de préférence voisin du point de fusion du matériau organique utilisé pour réaliser la matrice, en particulier le zinc, l'étain, le cuivre, et leurs divers alliages, notamment le laiton. 8 - Matériau composite selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la proportion relative en poids en maté riau organique et en matériau métallique est comprise entre 40/60 et 60/40. 9 - Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'à titre de fibre de renforcement, on utilise des fibres de renforcement de haute qualité, en particulier des fibres de renforcement organiques ou minérales obtenues à partir de carbone, verre, aramide, carbure de silicium, et notamment celles se présentant sous forme de réseau fibreux. 10 - Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le matériau organique est un matériau organique thermoplastique. 11 - Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 9 , caractérisé en ce que le matériau organique est un matériau organique thermodurcissable. 12 - Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les fibres de renforcement sont des fibres de carbone et la matrice est formée à partir de poudre de polyamide polysulfure, ainsi que d'une poudre d'aluminium ou de zinc, la granulométrie moyenne des grains de ces poudres étant d'en viron zu microns, la proportion relative des poudres étant comprise entre 40-60/60-40 en pourcentage en poids, cette matrice étant obtenue après un frittage ayant conduit à une fusion de la matrice o organique, par exemple à environ 3300C. 13 - Procédé de fabrication de matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes a) on prévoit une chambre de traitement électrostatique capable de réaliser un traitement électrostatique en courant continu haute tension ou en courant alternatif haute tension; b) on introduit dans ladite chambre de traitement électrostatique une poudre de matériau organique et une poudre de matériau métallique; c) on procède à un traitement électrostatique de ces poudrres ainsi introduites dans ladite chambre de traitement électrostatique, de préférence comprenant tout d'abord un traitement électrosta tique haute tension en courant continu pendant une période de temps suffisante pour charger électrostatiquement les particules de poudre de matériau organique et de matériau métallique, suivi d'un traitement électrostatique haute tension en courant alter natif pendant un temps suffisant pour provoquer un mélange homogène des poudres par l'agitation créée par le champ alter natif; d) on récupère le mélange de poudres homogénéisé ainsi obtenu; e) dans une zone de fabrication de matériau composite, on introduit des fibres de renforcement, en particulier sous forme de tissé, que l'on saupoudre de ce mélange homogène de poudres précédem ment obtenu, éventuellement en procédant à l'empilage de plusieurs couches successives également successivement saupoudrées du mélange homogène de poudres précemment obtenu; f) on procède à un nouveau traitement électrostatique en courant alternatif haute tension pendant une période de temps suffisante pour que l'agitation des particules du mélange homogène pénètre intimement dans le réseau fibreux; g) on procède enfin à un traitement de frittage et de fusion par un traitement thermique sous pression, classique pour obtenir ledit matériau composite fini. 14 - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le traitement électrostatique en courant continu haute tension est réalisé sous une tension comprise entre environ 50 000 et environ 100 000 V. 15 - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le traitement électrostatique précité en courant alternatif est réalisé sous une tension élevée comprise entre environ 25 000 et environ 30 000 V. 16 - Utilisation des matériaux composites tels que décrits selon l'une des revendication 1 à 12 ou tels que préparés selon l'une des revendications 13 à 15, pour la fabrication de produits composites pour une application haute technologie, en particulier dans le domaine de l'aéronautique, l'aérospatial, ou les véhicules grande vitesse, tels que TGV, ou dans l'automobile, ou des produits ininflammables.