Brevet FR2669940A1 — publié le 19920605

Fil formé à partir de fibres réfractaires ou de leurs précurseurs et son application à la fabrication de pièces en matériau composite' La présente invention concerne un fil formé à partir de fibres réfractaires ou de leurs précurseurs. Par fibres réfractaires, on entend ici essentiellement les fibres en carbone et les fibres en céramique Parmi ces dernières, on peut citer les fibres en carbure, nitrure ou oxyde réfractaire, tel que carbure ou nitrure de silicium, carbure de bore, alumine, Par précurseurs de fibres réfractaires, on entend ici des fibres à un état précédant l'état réfractaire, le passage à ce dernier s'effectuant le plus souvent par traitement thermique A titre d'exemple, un précurseur du carbone est le polyacrylonitrile (PAN) préoxydé, ou un brai, tandis qu'un précurseur du carbone de silicium est le polycarbosilane (PCS). Un domaine particulier d'application de l'invention est la fabrication de pièces en matériau composite constituées d'une préforme fibreuse réfractaire densifiée par une matrice. Il existe divers procédés pour réaliser une préforme en fibres réfractaires Un procédé classique consiste à superposer des strates d'une texture fibreuse bidimensionnelle, notamment un tissu, et, éventuellement, à lier les strates entre elles par exemple par aiguilletage. Une difficulté rencontrée avec les fils en fibres réfractaires connus consiste dans leur peu d'aptitude à subir des opérations textiles, comme le tissage, notamment pour les fils en fibres céramiques, et, surtout, l'aiguilletage. Un moyen de surmonter cette difficulté consiste à réaliser les opérations textiles nécessaires sur des fils dont les fibres constitutives sont à l'état de précurseur, mieux apte à subir ces opérations La transformation du précurseur en matière réfractaire est alors réalisée après exécution des opérations textiles. Un autre moyen de surmonter cette difficulté pour l'aiguilletage de strates superposées de tissu en fibres de carbone consiste à intercaler des couches de feutre entre les strates Avec un tissu formé de fils dans lesquels la cohésion des fibres carbone est assurée par rétorsion, l'attaque des fils par les aiguilles a plus pour effet de casser les fibres que de détacher les fibres pour les implanter à travers les strates L'interposition de couches de feutre permet d'apporter les fibres susceptibles d'être entraînées par les aiguilles. Un autre problème rencontré lors de la fabrication de pièces en matériau composite est celui de l'accessibilité de la porosité interne de la préforme lors de la densification. Il existe plusieurs techniques de densification, notamment la densification par voie liquide et la densification par voie gazeuse Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme par un liquide précurseur du matériau constitutif de la matrice puis à transformer le précurseur, généralement par traitement thermique Le procédé par voie gazeuse (infiltration chimique en phase vapeur) consiste à placer la préforme dans une enceinte o un flux gazeux est introduit dans des conditions de température et de pression déterminées pour former le matériau de la matrice au contact des fibres de la préforme par décomposition d'un ou plusieurs constituants du flux gazeux ou par réaction entre constituants de celui-ci. Quelle que soit la technique utilisée, il est en pratique impossible de densifier totalement la préforme En effet, les fils constitutifs de la préforme définissent entre eux des volumes dont certains sont quasi fermés La densification de ces volumes "morts" ne peut pas être réalisée, même par infiltration chimique en phase vapeur, leur accès réduit éventuel étant très rapidement obstrué. La présente invention a pour objet de fournir un fil formé à partir de fibres réfractaires ou de leurs précurseurs permettant d'éviter les inconvénients précités, c'est-à-dire, en particulier, un fil capable de subir des opérations textiles, y compris l'aiguilletage. Un autre objet de l'invention est de fournir un fil particulièrement adapté à la réalisation de préformes en fibres réfractaires pour la fabrication de pièces en matériau composite, non seulement en raison de son aptitude aux opérations textiles, mais aussi par sa capacité à former une préforme fibreuse dont la porosité ne présente pratiquement pas de volumes morts. Conformément à l'invention, un fil comprenant des fibres longues discontinues en matière réfractaire ou en un précurseur de celle-ci est caractérisé en ce que les fibres discontinues sont arrangées parallèlement les unes aux autres, en étant non retordues, et le maintien du fil est assuré par guipage des fibres au moyen d'un fil de guipage en matière fugitive. Par matière fugitive, on entend ici toute matière susceptible d'être éliminée sans laisser de résidu sur le fil et sans altération des fibres réfractaires A titre d'exemple, la matière fugitive est un polymère soluble, tel qu'un PVA (alcool polyvinylique), ou un polymère susceptible d'être totalement éliminé par traitement thermique, tel que l'acétate de polyvinyle. La fabrication du fil conforme à l'invention comprend une étape d'obtention de fibres longues discontinues parallèles entre elles en matière réfractaire ou en un précurseur de celle-ci Ceci est réalisé par exemple par étirage et craquage contrôlé d'un câble de multifilaments, comme décrit notamment dans le document FR-A-2 608 641 pour l'obtention de fibres longues de longueur moyenne comprise entre 100 et 120 mm. Dans le document précité FR-A-2 608 641, les fibres sont transformées en fil par rétorsion sur un matériel de filature classique. Par contre, dans le fil conforme à l'invention, les fibres sont laissées parallèles entre elles, et non retordues, la transformation en fil étant obtenue par guipage au moyen du fil en matière fugitive Le guipage est réalisé au moyen d'une machine de guipage connue, par exemple la machine 'Parafil" de la société allemande Spindelfabrik Suessen. Le guipage confère au fil conforme à l'invention la tenue nécessaire pour subir des opérations textiles, notamment le tissage. Après élimination du fil de guipage, l'existence de fibres parallèles discontinues non retordues autorise un aiguilletage avec prélèvement de ces fibres par les aiguilles, sans qu'il soit nécessaire d'apporter une texture du type feutre fournissant les fibres susceptibles d'être entraînées par les aiguilles. Ainsi, la présente invention permet-elle de disposer d'un fil apte à être utilisé dans toute application demandant l'exécution d'opérations textiles sur le fil, comme le tissage et l'aiguilletage. Un domaine particulier d'application du fil selon l'invention est la réalisation de préformes fibreuses pour la fabrication de pièces en matériau composite Dans cette application, le fil apporte un avantage supplémentaire en ce qu'il permet la suppression de volumes morts non complètement densifiables En effet, lorsque la préforme a été réalisée et le fil de guipage éliminé, les fibres libérées ont tendance à occuper les volumes disponibles sous l'effet du "gonflement" du fil Ceci permet l'obtention d'une préforme dont la porosité est plus facilement et plus uniformément accessible au matériau constitutif de la matrice Il en résulte une densification plus complète et une moindre inhomogénéité du matériau. Lorsque le fil utilisé pour la fabrication de la préforme est en un précurseur de la matière réfractaire désirée, la transformation du précurseur en matière réfractaire est effectuée après fabrication de la préforme et après élimination du fil de guipage Lorsque le fil de guipage est en un matériau éliminable par la chaleur, cette élimination peut être réalisée au cours d'une montée en température effectuée en vue de la transformation du précurseur par traitement thermique. Des exemples particuliers de réalisation de fils conformes à l'invention seront maintenant décrits à titre indicatif, mais non limitatif. Exemple 1: Fil formé à partir de fibres en précurseur du carbone. Une texture bidimensionnelle ( 2 D) est formée par tissage d'un fil de fibres non retordues en PAN (polyacrylonitrile) préoxydé guipées par un fil de PVA (alcool polyvinylique) Les caractéristiques du tissu 2 D sont les suivantes: titre du fil PAN préoxydé Nm 2 fil de guipage PVA 45 dtex armure de tissage satin de 8 nombre de fils en chaîne 10/cm nombre de fils en trame 10/cm masse surfacique 1050 g/m 2 Après tissage, le tissu est lavé dans un bain d'eau à 801 C pendant l Omn puis essoré et séché Le fil de guipage PVA est complètement dissous et les fibres des fils de PAN préoxydé s'expansent au sein du tissu permettant un aiguilletage direct de celui-ci, sans apport d'une couche de feutre. Plusieurs couches de tissu sont alors superposées et, aiguilletées pour réaliser une préforme fibreuses Celle-ci est ensuite soumise à un traitement thermique (carbonisation) pour transformer le PAN préoxydé en carbone Une préforme fibreuse en fibres de carbone est alors obtenue Le tissu décrit plus haut permet l'obtention d'une préforme aiguilletée dans laquelle le taux de fibres en carbone est d'environ 30 % (pourcentage du volume apparent de la préforme effectivement occupé par les fibres). La préforme en fibres de carbone peut ensuite être densifiée par un matériau constitutif d'une matrice, par exemple du carbone ou une céramique, afin d'obtenir le matériau composite désiré à renfort en fibres de carbone La densification est réalisée par voie liquide ou par infiltration chimique en phase vapeur Le foisonnement des fibres au sein de la texture fibreuse, résultant du relâchement des fibres non retordues après élimination du fil de guipage, évite la formation de volumes morts au sein de la préforme et favorise par conséquent une densification plus complète et plus homogène. Exemple 2: Une fibres en fil de PVA. Fil formé à partir de fibres en céramique. texture est formée par tissage multicouche d'un fil de carbure de silicium (Si C) non retordues guipées par un Les caractéristiques du tissu sont les suivantes: titre du fil Si C fil de guipage PVA armure de tissage nombre de couches nombre de fils en chaîne nombre de fils en trame épaisseur du tissu : Nm 3 : 45 dtex : Interlock : 5 : 40/cm : 30/cm : 3 mm Après tissage, la texture est trempée dans un bain d'eau à 801 C pendant 15 mn puis essorée et séchée On constate que le fil de PVA est dissous et que les fibres Si C s'expansent au sein de la texture Le taux volumique de fibres dans la texture tissée comme indiquée ci-dessus est d'environ 30 %. Comme indiquée à propos de l'exemple 1, la texture obtenue se prête particulièrement bien à une densification ultérieure par voie liquide ou gazeuse. 1; i REVENDICATIONS 1 Fil comprenant des fibres longues discontinues en matière réfractaire ou en un précurseur de celle-ci, caractérisé en ce que n 5 les fibres discontinues sont arrangées parallèlement les unes aux autres, en étant non retordues, et le maintien du fil est assuré par guipage des fibres au moyen d'un fil en matière fugitive. 2 Fil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres discontinues sont obtenues par étirage et craquage contrôlé. 3 Fil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le fil de guipage est en polymère soluble. 4 Procédé de fabrication d'une préforme fibreuse en fibres réfractaires pour la réalisation d'une pièce en matériau composite caractérisé en ce que la préforme est fabriquée au moyen de fils selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et le fil de guipage est ensuite éliminé. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la préforme est réalisée au moyen de fils comprenant des fibres en un précurseur de la matière réfractaire, caractérisé en ce que la transformation du précurseur en matière réfractaire est réalisée après élimination du fil de guipage. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel la fabrication de la préforme comprend une étape d'aiguilletage, caractérisé en ce que l'aiguilletage est réalisé après élimination du fil de guipage.