Brevet FR2684040A1 — publié le 19930528

Matériau composite thermostructural isolant de faible densité et procédé de réalisation d'un tel matériau sandwich-verre. L'invention concerne un matériau composite thermostructural isolant de faible densité et plus précisément d'un sandwich Si C-verre-mousse de verre ainsi que son procédé de fabrication. Il existe des matériaux structuraux composites uni ou bidirectionnels formés à partir de fibres de Si C et une matrice verre, obtenus par imprégnation d'une préforme fibreuse au moyen d'une barbotine contenant les éléments nécessaires à l'obtention de la composition vitreuse désirée, puis séchage de la préforme ainsi imprégnée Puis on empile et solidarise entre eux par chauffage modéré des préimprégnés séchés pour obtenir des composites à renfort mono ou bidirectionnels de grandes tailles, cette préforme étant enfin densifiée au moyen d'une étape de compression à chaud à une température préférentielle de 1000 à 1200 'C comme décrit dans le FR A 2 648 806 On connaît aussi des compositions vitrocéramiques obtenues par la voie sol-gel, présentant un faible coefficient de dilatation thermique et qui supportent sans dommage des variations de températures importantes et rapides Dans le FR-A 2 655 327 est notamment décrite une composition vitrocéramique ayant pour composants principaux Si O 2, A 1203 et Li O 2 ou Mg O obtenus par voie sol- gel à partir d'alcoolates de silicium et d'aluminium et de composés de lithium ou de magnésium, ladite composition étant essentiellement sous forme de solutions solides céramiques dont le faible coefficient de dilatation est favorable à la formation de matériaux composites ayant de bonnes caractéristiques thermo-mécaniques. Les matériaux structuraux évoqués précédemment trouvent du fait de leur qualité des applications avantageuses dans les domaines aéronautiques et spatiaux. Ils ne sont toutefois pas performants sur le plan de l'isolation phonique et thermique Des matériaux isolants thermiques et phoniques sont connus par ailleurs On peut citer à ce sujet des mousses de verre à base d'aluminosilicate à structure expansée tels que décrits dans le FR-A 2 578 828 Cet aluminosilicate au moins partiellement cristallisé résulte de l'oxydation par l'air de nitrure à base d'aluminium, conduisant à un produit expansé à pores fermés renfermant de l'azote Ce matériau est imperméable à l'eau, il présente une bonne résistance vis à vis des agents chimiques et constitue un bon isolant thermique Par contre il n'a que de médiocres qualités structurales. Aucun de tous ces produits ne réunit cependant toutes les qualités requises pour pouvoir réaliser des structures porteuses de haute résistance et de faible poids, aptes à la fabrication de panneaux notamment pour aéronefs et véhicules spatiaux qui doivent impérativement présenter des caractéristiques performantes simultanément de résistance mécanique, d'isolation thermique, d'isolation phonique et de neutralité chimique, et cela à haute température soit jusqu'à environ 1000 'C. Il serait certes possible de combiner des matériaux structuraux composites et des matériaux isolants thermiques et phoniques et d'obtenir ainsi une structure sandwich présentant les caractéristiques recherchées Par exemple en tapissant les parois d'un moule de peaux de Si C/verre densifiées et en introduisant à l'intérieur un mélange de poudre de verre-nitrure d'aluminium comme l'enseigne le FR-A 2 578 828, on obtiendrait après un traitement thermique approprié une mousse de verre expansée liée aux parois L'expansion de la mousse exerce une pression sur les parois du moule qui favorise la liaison avec les peaux de Si C/verre Cette solution qui peut paraître séduisante, comporte toutefois des inconvénients qui sont apparus suffisants à la Demanderesse pour lui faire rechercher un autre matériau et un autre procédé Ces inconvénients sont dus essentiellement aux difficultés rencontrées pour manipuler la poudre de verre et de nitrure d'aluminium, pour réaliser les moules même s'il s'agit d'obtenir des plaques planes, et pour faire expanser la mousse de verre en vue d'obtenir des pièces de faible épaisseur et de grand élancement. L'invention *a donc pour objet un matériau composite thermostructural isolant de faible densité formé à partir de fibres de carbure de silicium avec une matrice verre et une mousse de verre qui est constitué d'une alternance de peaux à matrice verre préalablement usinées et de pains de mousse de verre expansée, qui forment une structure sandwich obtenue par liaison verrière dans laquelle il y a eu migration des éléments chimiques contenus dans les verres des différentes couches au niveau de leurs interfaces. L'invention a également pour objet principal un procédé de réalisation d'un matériau composite thermostructural isolant qui consiste: à disposer sur un support rigide une peau à matrice verre, à mettre en place sur ladite peau une mousse de verre expansée dont la forme et l'épaisseur correspondent à celles de la pièce finale recherchée, à placer sur le tout une contreforme rigide, à appliquer sur l'ensemble une pression mécanique uniformément répartie, à disposer l'ensemble dans un four et lui faire subir un chauffage sous air à pression atmosphérique selon un cycle spécifique de montée en température suivie d'un refroidissement, à retirer les éléments de maintien en pression. Principalement le cycle spécifique de chauffage consiste: à assurer la montée de la température ambiante au delà de la température de transition vitreuse, à maintenir un palier de chauffage d'une durée déterminée à cette température maximum, à assurer un refroidissement lent jusqu'à 5000 C, puis à effectuer un refroidissement rapide de 500 C à la température ambiante par ouverture du four. Avantageusement la vitesse de montée et la vitesse de descente en température sont de l'ordre de 500 'C/heure et le palier de chauffage à la température maximum est de l'ordre de 15 minutes - D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante dans laquelle il est fait référence aux dessins annexés qui représentent: figure 1 une vue schématique en coupe de l'élaboration d'un matériau composite thermostructural; figure 2 une vue en coupe d'une structure sandwich Si C/verre-mousse de verre obtenue par le procédé; figure 3 une variante de réalisation de la figure 1. La figure 1 illustre la structure sandwich obtenue par le procédé Sur un support rigide 1 on dispose une peau 2 de Si C/verre densifiée obtenue de façon connue et qui a subi une rectification préalable lui conférant un bon état de surface Cette rectification a été effectuée sur la face supérieure 2 a de la peau 2 Par dessus cette dernière on met en place une mousse de verre expansée 3 dont la forme et l'épaisseur correspondent à la forme de la pièce finale recherchée, moins l'épaisseur des peaux Cette mousse est usinée en surface et les porosités sont ouvertes La mousse 3 est a son tour recouverte d'une peau 4 de nature identique à la première, également rectifiée sur sa face inférieure. On place par dessus le tout une contreforme rigide 5 sur laquelle on applique à l'ensemble une pression mécanique P uniformément répartie On dispose ensuite cet ensemble dans un four puis on effectue un chauffage sous air à pression atmosphérique suivant le cycle spécifique suivant. Montée de la température ambiante au delà de la température de transition vitreuse à une vitesse de montée de 5000 C/heure. Puis palier de 15 minutes à la température maximum. Ensuite refroidissement lent jusqu'à 500 'C (par exemple descente de 500 'C/heure). Enfin refroidissement rapide de 500 'C à la température ambiante par ouverture du four. A la suite de ce cycle, on peut retirer les éléments de maintien en pression. Les paramètres pression, température et temps sont ajustés afin de ne pas dégrader la mousse et le composite Si C/verre On notera que la température atteinte dans le four est de 800 à 9000 C pour une structure sandwich composée de peaux de type Sic/verre. Grâce à ce procédé on obtient une excellente liaison verrière entre la mousse de verre 3 et les peaux 2, 4 On a représenté à la figure 2 un sandwich ainsi obtenu constitué d'une alternance de peaux de Si C/verre et d'un pain de mousse de verre expansé dans lequel les trois couches sont bien visibles La température de palier qui, comme on l'a vu est supérieure à la température de transition vitreuse des matériaux en présence permet une migration des éléments chimiques contenus dans les différentes couches au niveau de leurs interfaces Le palier de 15 minutes est nécessaire et suffisant pour que la température de l'ensemble soit homogène et pour garantir la liaison verrière, sans dégradation par effondrement de la mousse La mousse peut être amenée à une température d'environ 50 % au-dessus de sa température de transition vitreuse, sans subir de dégradation On voit bien la mousse expansée 3 et ses pores, parfaitement liée à la peau fibrée 4. La figure 3 illustre une autre forme de pièce obtenue dans laquelle plusieurs peaux intermédiaires 6, 7 sont prévues en plus des peaux extérieures 2, 4 Entre ces peaux se trouvent intercalées des parties de mousse de verre expansée 3 aux formes et épaisseurs voulues qui forment avec les peaux un sandwich multiple. L'invention ne se limite pas aux pièces à faces planes et parallèles précédemment décrites mais englobe toute autre forme Les supports sont donc adaptés aux formes recherchées, de même que les contre-formes qui supporteront les éléments de mise en pression L'invention ne se limite pas non plus aux peaux Si C/verre, toute autre peau à matrice verre étant envisageable. Les panneaux réalisés à l'aide de ces structures sandwichs présentent une rigidité comparable à celle d'un panneau métallique alvéolaire, mais avec de surcroît une garantie de tenue en température supérieure On peut ainsi les utiliser aussi bien pour des structures porteuses d'aéronefs et de véhicules spatiaux que pour des éléments coupe-feu à haute résistance thermomécanique. REVENDICATIONS 1. Matériau composite thermostructural isolant de faible densité formé à partir de fibres de carbure de silicium avec une matrice verre et une mousse de verre, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une alternance de peaux ( 2, 4, 6, 7) à matrice verre préalablement usinées et de pains ( 3) de mousse de verre expansée, qui forment une structure sandwich obtenue par liaison verrière dans laquelle il y a eu migration des éléments chimiques contenus dans les verres des différentes couches au niveau de leurs interfaces. 2. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que les peaux ( 2, 4, 6, 7) préalablement usinées sont des peaux de Si C/verre. 3 Procédé de réalisation d'un matériau composite thermostructural isolant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste: à disposer sur un support rigide une peau à matrice verre, à mettre en place sur ladite peau une mousse de verre expansée dont la forme et l'épaisseur correspondent à celles de la pièce finale recherchée; à placer sur le tout une contreforme rigide; à appliquer sur l'ensemble une pression mécanique uniformément répartie; à disposer l'ensemble dans un four et lui faire subir un chauffage sous air à pression atmosphérique selon un cycle spécifique de montée en température suivie d'un refroidissement; et à retirer les éléments de maintien en pression. 4. Procédé de réalisation d'un matériau composite thermostructural isolant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste: à disposer sur un support rigide une peau à matrice verre; à mettre en place sur ladite peau une alternance de pains de mousse de verre expansée et de peaux à matrice verre; à placer le tout sur une contreforme rigide. à appliquer sur l'ensemble une pression mécanique uniformément répartie; à disposer l'ensemble dans un four et lui faire subir un chauffage sous air à pression atmosphérique selon un cycle spécifique de montée en température suivie *d'un refroidissement et à retirer les éléments de maintien en pression. 5 Procédé de réalisation selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le cycle spécifique de chauffage consiste: à assurer la montée de la température ambiante au delà de la température de transition vitreuse; à maintenir un palier de chauffage d'une durée déterminée à cette température maximum; à assurer un refroidissement lent jusqu'à 500 'C; puis à effectuer un refroidissement rapide de 5000 C à la température ambiante par ouverture du four. 6 Procédé de réalisation selon la revendication , caractérisé en ce que la vitesse de montée et la vitesse de descente en température sont de l'ordre de 5000 C/heure. 7. Procédé de réalisation selon la revendication , caractérisé en ce que le palier de chauffage à la température maximum est de l'ordre de 15 minutes.