Brevet FR2685081A1 — publié le 19930618

STRUCTURE A CONTROLE D'ENDOMMAGEMENT INTRINSEQUE, PROCEDES DE FABRICATION ET METHODE D'UTILISATION L'invention se situe dans le domaine des structures intégrant un matériau composite, le matériau comportant des fibres optiques destinées à contrôler la fabrication et l'état en cours d'usage des parties de structures en matériau composite, en particulier des matériaux multicouches, elle concerne le matériau composite inclus dans la structure, un procédé de fabrication et une méthode de mesure utilisant la fibre pour la localisation et la détermination de la nature de défauts éventuels. On sait qu'un matériau composite est constitué de fibres assemblées en différentes nappes formant des plis du matériau. Selon les sollicitations mécaniques auxquelles va être soumis le matériau, les nappes peuvent être disposées selon différentes directions. Le matériau composite est ainsi composé de différentes couches ou plis. Il peut exister entre deux plis et ceci malgré les précautions prises lors de la fabrication, des défauts de fabrication De tels défauts appelés délaminage peuvent également apparaître après fabrication par vieillissement, par suite des sollicitations en déformation provoquées par des vibrations ou des cycles de température Ces défauts peuvent également apparaître par suite d'impact Les délaminages quelle que soit leur origine ne provoquent aucun dommage directement visible Or, ce phénomène par la possibilité de flambage local qu'il génère, réduit considérablement la résistance de la structure en compression En dehors de cet aspect mécanique, l'hétérogénéité ainsi induite dans le matériau peut modifier d'autres caractéristiques Ainsi, si le composite est utilisé comme radôme d'une antenne, le diagramme de rayonnement de cette dernière peut se trouver modifié. Il est donc nécessaire de vérifier lors de la fabrication et ensuite de façon régulière que les défauts présents dans le matériau ne sont pas supérieurs à un seuil préalablement fixé. Pour cela, des techniques de contrôle non destructif de structures mécaniques sont employées Les techniques généralement employées font appel à des techniques d'interrogation extrinsèques, c'est le cas de la thermographie, de l'émission acoustique, des ultra- sons, de la radiographie. Toutes ces techniques de contrôle par des moyens extrinsèques doivent être effectuées en laboratoires après démontage de la structure contrôlée Outre l'inconvénient du démontage et de l'immobilisation, les techniques employées nécessitent un long apprentissage pour connaître la nature des défauts, leurs dimensions et leurs localisations en fonction des résultats de mesure obtenus. Compte tenu des progrès réalisés dans la fabrication de capteurs intrinsèques à fibres optiques, on a pensé à utiliser de tels capteurs en les incluant directement à l'intérieur du matériau composite. Une telle inclusion est rapportée par le journal "Electronique international hebdo" n O 18 du 9 Mai 1991 page 15, dans un article intitulé "Améliorer les performances des composites par fibre optique". Cet article rapporte que le projet envisagé "consiste à noyer dans un composite une fibre optique continue à maintien de polarisation jouant le rôle de réseau de capteurs C'est-à-dire o le paramètre à mesurer agit directement sur la fibre (à l'opposé des capteurs à fibre optique extrinsèques, o la fibre optique sert uniquement de support pour le transport d'information) Ici, la fibre optique modifie la nature du signal qui la parcourt en fonction des déformations et de la température Selon le chef de file du projet, avec un pas entre chaque point de mesure de cm, le nombre de points peut varier de 20 à 100 suivant la longueur de la fibre Les premières applications visées sont dans le secteur de l'aéronautique Mais Bertin, qui pour le traitement des mesures utilise le principe du codage en modulation spectrale, compte étendre le champ d'application du réseau de capteurs intrinsèques, notamment à la mesure de vibration d'une structure". L'inconvénient principal de la méthode de mesure rapportée ci-dessus provient du nombre de pas qui est au maximum égal au quotient de la largeur du spectre total par la largeur du spectre le plus petit que l'on sait isoler La méthode nécessite que le maillage de la pièce composite par les différents capteurs ait été prédéterminé Il convient également de pouvoir séparer par l'analyse du signal capté en sortie de fibre, les modifications dues à la température et celles dues aux contraintes mécaniques. Le problème technique résolu par la présente invention est donc de savoir quelle fibre optique à maintien de polarisation employer, comment la disposer à l'intérieur du matériau composite, la remplacer en cas d'endommagement et réaliser le matériau sans endommager la fibre optique et enfin, comment réaliser une mesure et l'exploiter pour savoir dans quelle zone se situe un défaut éventuel. L'invention a donc pour but de permettre la détection et la localisation d'une irrégularité, que cette irrégularité soit due à un défaut de fabrication ou à un choc, d'un délaminage, à l'intérieur d'une pièce réalisée en matériau composite, la détection et la localisation étant réalisées par l'analyse d'un signal circulant dans la fibre, sans que le maillage le long de la fibre soit prédéterminé par la nature du signal qui y est injecté. Le but est aussi de détecter des contraintes ou des ruptures de contraintes situées à l'intérieur d'une gamme prédéterminée Il est enfin possible de pouvoir réaliser ces détections et localisations d'irrégularités en temps réel ou en temps différé L'analyse en temps réel est particulièrement intéressante lorsque la pièce composite est le radôme d'une antenne dont il est important de s'assurer que le diagramme de rayonnement reste constant, par exemple un radôme d'antenne pour dispositif d'atterrissage aux instruments (I L S) Dans tous les cas, l'invention permet la détection de défauts sans démontage de la pièce, au moyen d'un seul instrument, par exemple un interféromètre de Michelson à miroir mobile. A toutes ces fins l'invention a pour objet une structure comportant au moins partiellement un matériau composite, le matériau étant réalisé au moyen de nappes de fibres noyées dans une matrice, les différentes nappes formant des plis du matériau, le matériau comportant des moyens intrinsèques de détection et de localisation d'une irrégularité mécanique, ces moyens comportant au moins une fibre optique biréfringente à maintien de polarisation ayant un axe dit lent et un axe rapide, noyée dans la matrice et décrivant à l'intérieur du matériau un itinéraire connu caractérisé en ce que la fibre optique est incluse à l'intérieur d'un tubage de diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur de la fibre. L'inclusion de la fibre, éventuellement revêtue d'une surcouche destinée à modifier la valeur d'un couplage entre les axes de propagation de la fibre, à l'intérieur d'un tubage, permet d'obtenir de façon bien plus aisée une plage de valeurs de contraintes, correspondant à une modification linéaire en fonction de la contrainte, d'un paramètre d'une radiation lumineuse se propageant dans la fibre. Des modes de réalisation de matériaux composites incluant le capteur et son tubage ainsi que des courbes illustrant les résultats obtenus seront maintenant décrits, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1, représente une section transversale d'une fibre utilisée; la figure 2, représente une coupe transversale d'un matériau composite incluant une fibre selon l'invention, la fibre étant représentée en coupe longitudinale; la figure 3, représente une demi-coupe transversale d'un matériau composite sandwich incluant une fibre selon l'invention, la fibre étant représentée en coupe longitudinale; les figures 4 a, 4 b, 4 c représentent une coupe transversale d'un matériau composite incluant une fibre selon l'invention, la fibre étant placée sous des contraintes variables; la figure 5, est une courbe montrant la variation de l'intensité d'un signal optique en fonction de la contrainte subie localement par la fibre; la figure 6, est un schéma destiné à illustrer le fonctionnement de la fibre à maintien de polarisation; la figure 7, est un schéma illustrant le principe de la mesure; la figure 8, illustre un procédé de fabrication d'un matériau inclus dans une structure selon l'invention; la figure 9, est un diagramme température/pression utilisées dans un mode de fabrication de l'invention. La fibre optique retenue pour ce genre d'application est la fibre FASE Elle est décrite dans le brevet FR N O 8915872. Une section transversale de cette fibre est représentée figure 1. Cette fibre 1 comporte du centre vers l'extérieur un coeur optique 2 dont le diamètre est de 6 pm environ. Cette fibre est entourée d'une première gaine 3 de diamètre pm environ, cette gaine 3 comporte deux évidements circulaires diamétralement opposés 4 de diamètre 37 pim La gaine 3 est elle-même située à l'intérieur d'une surcouche 5. Dans un mode de réalisation la couche 4 est en epoxy acrylate et la surcouche 5 est en téflon. La fibre est biréfringente à maintien de polarisation Elle présente la particularité d'être très sensible à la pression et très peu sensible à la température La fibre est insérée dans un tubage de téflon 12 dont le diamètre intérieur est supérieur au diamètre extérieur de la surcouche 5. Deux modes d'insertion sont représentés figures 2 et 3. La figure 2 représente une coupe transversale d'une partie de matériau composite 7 comportant quatre plis référencés 8 à 11 La fibre 1 est insérée entre les plis centraux 9 et 10 à l'intérieur d'un tubage 12. La figure 3 représente une demi-coupe d'un matériau sandwich 13 dont une couche extérieure 14 est en matériau composite Le matériau 13 comporte une âme 15 qui peut être, par exemple, une mousse durcie ou un nid d'abeilles Le tubage 12, dans lequel est insérée la fibre 1, est logé entre l'âme 15 et le composite 14. D'autres modes d'implantation de la fibre 1 sont possibles qui ne contreviennent pas à l'enseignement de la présente invention. Le choix de la nature du matériau constituant le tubage 12 et de son diamètre sera fonction de la nature des déformations que l'on veut enregistrer Des explications à ce sujet seront données ci-après en référence aux figures 4 a à 4 c et à la courbe 5 Les figures 4 a à 4 c représentent une coupe transversale de la fibre 1 et de son tubage 12 entre deux couches 9, 10 de matériau composite. Sur la figure 4 a, le matériau est soumis à une contrainte de compression qui le déforme légèrement. Sur la figure 4 b, le tubage 12 est suffisamment déformé pour que la fibre 1 soit comprimée entre deux épaisseurs du tubage Sur la figure 4 c, le tubage 12 est aplati à son maximum et ne joue plus aucun rôle d'amortissement. La courbe 16 de la figure 5 qui représente la réponse optique de la fibre ainsi soumise localement à ces contraintes comporte trois parties. Cette courbe 16 représente les variations en fonction de la déformation du tubage 12 des niveaux d'un signal optique Le niveau est donné en pourcentage du pic principal de ce signal La nature de ce signal et la façon de l'obtenir seront données ultérieurement Les déformations sont représentées par l'énergie en joules nécessaire pour les obtenir Les trois zones s'analysent ainsi: dans une partie 16-1 qui correspond à la plage d'énergies qui créent des déformations qui s'inscrivent pour ce tubage 12, entre la forme de la figure 4 a et la forme de la figure 4 b; la réponse est faible. Dans la partie 16-2 qui correspond à la plage d'énergie o l'on passe de la figure 4 b à la figure 4 c, la réponse est linéaire et un étalonnage sur un échantillon permet une bonne reproductibilité C'est cette partie de la courbe qui est utilisée pour détecter les dommages. C'est donc en jouant sur le module de Young du matériau choisi pour réaliser le tubage qu'il sera possible de choisir la gamme de contraintes que l'on souhaite mesurer De plus, pour un même matériau et une même épaisseur du tubage 12, la sensibilité obtenue est plus grande lorsque le diamètre du tubage 12 diminue Cela signifie que la pente de la partie rectiligne 16-2 est plus forte et plus à gauche La partie 16-3 correspond à un seuil de saturation. Si la mesure est effectuée en temps différé, il est préférable que le matériau du tubage soit inélastique dans la gamme des contraintes choisie. La mesure effectuée correspond alors à la contrainte la plus forte Si la mesure est effectuée en permanence en temps réel, il est préférable que le matériau du tubage soit élastique dans la gamme de contraintes choisie Ce dernier cas est particulièrement bien adapté au cas d'un radôme. Le principe de la mesure sera maintenant explicité en référence aux figures 6 et 7 La figure 6 représente une vue en perspective d'une fibre biréfringente utilisée dans le dispositif de mesure selon l'invention Dans cette fibre la lumière se propage selon deux directions orthogonales notées XX' et YY' auxquelles correspondent des constantes de propagation longitudinales j Ox et Oy a X = 2 t et Y=X "Y X est la longueur d'onde de l'onde lumineuse et nx et ny sont les indices respectifs dans les deux directions Si nx et ny sont différents les deux ondes se propagent à des vitesses différentes Si la fibre a une longueur L, le déphasage total entre les deux ondes est O =(x-y)L ou avec Ox Y= 0 =$l L Sur la figure 6, les vecteurs représentent les directions des modes de propagation L'axe XX' est l'axe qui joint les centres des évidements 4 L'axe YY' lui est perpendiculaire T est le retard entre les deux ondes. Si un seul mode de propagation est excité au départ d'une source lumineuse appliquée à la fibre et en l'absence de perturbations, la lumière arrive à l'autre extrémité de la fibre selon ce seul mode Un point de contrainte sur la fibre crée un couplage entre les deux modes de propagation Si le mode YY' est excité au départ, cela signifie qu'à partir du point de couplage une fraction de l'énergie lumineuse va se propager aussi selon le mode XX' La valeur de cette fonction est une fraction de la valeur de la contrainte C'est la valeur de cette fraction qui est représentée sur la courbe de la figure 5 A partir du point de couplage une onde lumineuse va se propager à une vitesse plus lente (si l'axe XX' est l'axe lent) que l'onde se propageant sur l'axe YY'. Le retard entre les deux ondes est d'autant plus grand que la distance entre le point de couplage créé par la contrainte et le point de mesure du retard est grande. Le principe de la mesure permet donc de connaître l'intensité de la contrainte et sa localisation. Dans le mode de réalisation selon l'invention, la mesure est réalisée de la façon suivante décrite en référence à la figure 7. La lumière en provenance d'une source S 17 est introduite dans la fibre de mesure 1 Il s'agit d'une onde lumineuse continue à forte cohérence spatiale et à faible cohérence temporelle La fibre 1 traverse le matériau composite 7 selon un trajet assurant un maillage du matériau qui est une fonction de la surface minimum des délaminages que l'on veut observer La lumière en provenance de la fibre 1 est envoyée par l'intermédiaire d'un polariseur 20 et d'une lame semi réflectrice 18 vers les deux miroirs d'un interféromètre de Michelson 21, un miroir fixe 19 et un miroir mobile 2 i Le polariseur est un polariseur à 450 par rapport à l'axe des fibres On notera que le polariseur et l'interféromètre peuvent être remplacés par tout moyen permettant de réaliser des interférences, entre un train d'ondes de référence, ici le train d'onde en permanence sur l'axe rapide, et un train d'ondes retardé par rapport à ce train de référence Il convient donc de ramener les trains d'onde sur une seule polarisation Un autre mode de réalisation consiste à mettre à la place du polariseur 20 une jonction 20 ' de fibre dont les axes lents et rapides sont croisés à 450 La fibre 1 ' en sortie du polariseur ou de la jonction est de préférence longue Le déplacement du miroir mobile 23 permet de repérer tous les déphasages pour lesquel l'onde de référence, l'onde restée continuement sur l'axe rapide, interfère avec des ondes qui, à chaque point de couplage ont commencé à voyager sur l'axe lent et qui arrivent d'autant plus en retard que le point de couplage est éloigné du point de mesure. Un dispositif de traitement 22 permettant le déplacement du miroir mobile 23 de l'interféromètre et un dispositif de détection 24 associés à un système d'acquisition 25 permettent de façon connue de localiser les points de couplage et de déterminer l'intensité de la contrainte ' Un mode de fabrication d'un matériau composite 7 incluant la fibre 1 à l'intérieur de son tubage 12 sera maintenant décrit. La fibre 1 dont le diamètre extérieur, compte tenu de la surcouche de téflon 5, est de 550 pm est introduite dans un tubage de téflon 12 dont le diamètre extérieur est de 1240 pm Le tubage muni de sa fibre est alors placé entre les plis 9 et 10 du matériau 7. Le compactage des plis préimprégnés Kevlar/Epoxy 1454 se fait au moyen d'un cycle Pression/Température en autoclave Le dispositif' Le matériau 7 comprenant sa fibre optique 1 intégré dans un tubage 12 placé entre deux plis 9, 10 est posé sur une table à vide 26, imprégné d'un agent démoulant 27 Au-dessus du matériau 7 est placé un feutre 28 destiné à absorber les excès de résine Un film 29 sépare le feutre 28 du matériau 7 L'ensemble matériau et feutre est entouré d'un sac à vide 30 relié à la table par un mastic d'étanchéité 31. Cette installation permet de créer un vide dans la zone incluse dans le sac à vide et de mettre en pression ce qui y est contenu. Le cycle Température/Pression est représenté figure 9. Après une montée en température un palier de 800 C est appliqué pendant 10 minutes pour homogénéiser en température l'ensemble du matériau avant la phase de polymérisation Pendant la phase de montée en température, un vide poussé est créé dans le sac à vide A la fin de cette phase, une pression de 2 bars soit 3 bars compte tenu du vide est appliquée La température est alors portée à 1200 C température minimum de polymérisation de la résine choisie Cette température est maintenue pendant 90 minutes La température est ensuite portée à 1140 a C pendant 40 minutes pour assurer une stabilisation totale de la résine. L'essentiel au cours de ce cycle est de réussir la phase de polymérisation et de stabilisation de la résine employée pour constituer le matériau sans jamais dépasser la température à laquelle la fibre ou l'un de ses revêtements commence à fondre. Dans le cas présent, la couche la plus fragile de la fibre est la couche 3 en epoxy acrylate qui commence à être endommagée à 1800. Il convient donc de choisir la résine en fonction des matériaux constituant la fibre Il convient que la résine incluse dans le matériau composite puisse être polymérisée et stabilisée à une température inférieure à celle qui endommagerait la couche la plus fragile de la fibre. L'utilisation d'un tubage permet de protéger la fibre d'un risque de cisaillement au niveau des entrées et sorties de la fibre du matériau. Lorsque, comme dans le cas de la réalisation, le tubage est en téflon et que la fibre est elle-même revêtue d'une couche extérieure en téflon, il est possible d'observer le même cycle de cuisson ou un cycle de cuisson différent, le tubage étant en place de la même façon mais la fibre n'étant pas disposée à l'intérieur du tubage avant cuisson La fibre est alors glissée après cuisson dans le matériau Avec ce mode de réalisation, les conditions nécessaires de température décrites ci- dessus ne sont plus nécessaires, par contre il convient de choisir le tubage et le revêtement extérieur de la fibre pour avoir un bon coefficient de glissement Ce dernier mode de réalisation permet le remplacement rapide de la fibre en cas d'endommagement. REVENDICATIONS 1 Structure comportant au moins partiellement un matériau composite ( 7) le matériau étant réalisé au moyen de nappes de fibres noyées dans une matrice, les différentes nappes formant des plis du matériau, le matériau comportant des moyens intrinsèques de détection et de localisation d'une irrégularité mécanique, ces moyens comportant au moins une fibre optique biréfringente à maintien de polarisation ayant un axe dit lent et un axe dit rapide noyée dans la matrice et décrivant à l'intérieur du matériau un itinéraire connu caractérisé en ce que la fibre optique ( 1) est incluse à l'intérieur d'un tubage ( 12) de diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur de la fibre ( 1). 2 Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que la fibre optique ( 1) comporte un coeur optique ( 2) entouré d'une première gaine comportant ses évidements longitudinaux ( 4) disposés symétriquement par rapport au coeur optique ( 2). 3 Structure selon la revendication 2 caractérisée en ce que la fibre comporte en outre une surcouche ( 5). 4 Structure selon la revendication 3 caractérisée en ce que le matériau du tubage ( 12) et le matériau de la surcouche ( 5) sont des matériaux ayant l'un sur l'autre un bon coefficient de glissement. Structure selon la revendication 4 caractérisée en ce que le matériau du tubage ( 12) et de la surcouche ( 5) est du téflon. 6 Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que le tubage ( 12) est inclus entre deux plis ( 9, 10) centraux du matériau ( 7). 7 Structure selon la revendication 1 dans laquelle le matériau composite ( 7) constitue une couche extérieure ( 14) d'un matériau sandwich ( 13) comportant une âme centrale ( 15) caractérisée en ce que le tubage ( 5) est placé entre le matériau composite ( 14) et l'âme ( 15) du matériau sandwich ( 13). 8 Procédé de fabrication du matériau composite ( 7), inclus dans la structure selon la revendication 1, comportant un cycle en température et pression de polymérisation et de stabilisation d'une résine constituant la matrice caractérisé en ce que la température maximum du cycle reste inférieure à une température pour laquelle l'une des couches de la fibre risque d'être endommagée. 9 Procédé selon la revendication 8 appliqué à un matériau ( 7) dont la fibre optique ( 1) comporte une couche epoxy acrylate endommageable à partir de 1800 C et dont la résine polymérise à 1200 C, caractérisé en ce que la température maximale du cycle est 1400 C. Procédé de fabrication du matériau composite ( 7) inclus dans la structure selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fibre optique est incluse par glissement dans le tubage ( 12) après cuisson du matériau. 11 Méthode de détermination de la valeur et de la localisation d'une contrainte subie par un matériau composite, inclus dans une structure selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que: on introduit dans la fibre un signal d'entrée constitué par une onde lumineuse continue à faible cohérence temporelle et forte cohérence spatiale; on mesure en sortie de fibre le déphasage entre le train d'onde de l'axe rapide dit signal de référence et chacun des trains d'onde successifs en provenance de l'axe lent; 12 Méthode selon la revendication 11 dans laquelle on mesure en outre l'intensité relative entre les signaux déphasés et le signal de référence. 13 Méthode de mesure selon la revendication 11 dans laquelle le déphasage est mesuré à l'aide d'un interféromètre comportant un miroir fixe et un miroir mobile.