Brevet FR2709487A1 — publié le 19950310

Procédé de fabrication d'éléments en matériaux composites renforcés par fibres L'invention concerne un procédé de fabrication d'éléments en matériaux composites renforcés par fibres. Pour fabriquer des éléments en matériaux composites renforcés par fibres, notamment en céramique renforcée par fibres, on imprègne tout d'abord des fibres de carbone au moyen d'un bain de ré- sine contenant une matière formant matrice. Lorsque la proportion de fibres est élevée ou lorsque les faisceaux de fibres sont disposés très près les uns des autres, le dépôt de la matrice céramique en phase gazeuse (procédé CVI) pose fréquemment de gros problèmes en raison de la résistance importante à l'écoulement, de sorte que l'on obtient une distribution non homogène de la matrice céramique à l'intérieur de l'élément. Dans le cas le plus défavorable on n'obtient qu'un revêtement superficiel des structures de fibres. L'objectif de la présente invention consiste, dans un procédé de fabrication d'éléments en matériaux composites renforcés par fibres, notamment d'éléments en céramique renforcée par fibres, à permettre une distribution homogène de la matrice céramique dans l'ensemble de l'élément. Cet objectif est atteint conformément à l'invention par le fait que l'on utilise dans l'élément une proportion de liant de 10 % en poids maximum et que l'on incorpore dans la structure de fibres une faible quantité de fibres organiques qui sont réduites en carbone lors du traitement par pyrolyse. Conformément à l'invention, on utilise comme fibres organi- ques, des fibres de matières plastiques thermodurcissables telles que des fibres d'aramide ou des fibres de polyéthylène. La proportion en fibres de matières plastiques thermodurcis- sables dans la structure de fibres représente entre 5 et 10 %. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, on utilise comme liant pour l'imprégnation de la structure de fibres une solution à base résine phénolique. Conformément à l'invention, pour former une matrice de carbone, on utilise lors du dépôt en phase gazeuse un mélange gazeux de méthane, d'hydrogène et d'argon. Pour former une matrice céra- mique de carbure de silicium, on utilise lors du dépôt en phase gazeu- se un mélange gazeux de méthyltrichlorosilane, d'hydrogène et d'argon. Conformément à l'invention, pour réaliser le dépôt en phase gazeuse on chauffe l'ensemble du dispositif à une température de 1000 0C environ. Le principal avantage de l'invention réside dans la fabrication reproductible à dessein de canaux à l'intérieur de l'élément renforcé par fibres, lesquels canaux permettent de contrôler de manière ciblée l'écoulement de gaz et d'obtenir ainsi une distribution homogène donnée de la matrice céramique lors du dépôt en phase gazeuse de la- dite matrice céramique. L'incorporation des fibres organiques supplé- mentaires, telles que des fibres aramides ou des fibres de polyéthylène peut être opérée de manière simple, sans travail supplémentaire important au moment de la fabrication de l'ébauche. En agissant sur le nombre, l'épaisseur et la forme des fibres organiques utilisées, on peut faire varier le type des canaux à l'intérieur de l'élément et ainsi optimiser ceux-ci en fonction des exigences pour le dépôt subséquent de la matrice céramique. L'invention est décrite ci-après de manière détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés sur les dessins. Ceux-ci montrent figure 1, la fabrication d'une ébauche de tube selon la technique de bobinage, figure 2, en vue en coupe, un tube obtenu à partir de l'ébauche de la figure 1, après réalisation d'un traitement par pyrolyse, figure 3, un détail correspondant au point III de la figure 2, figure 4, la courbe d'une analyse thermographique d'aramides, figure 5, le schéma d'application d'un procédé de dépôt de matrice céramique à partir de la phase gazeuse appliqué au tube de la figure 2, figure 6, une ébauche en tissu de fibres de carbone avec des fibres organiques incorporées dans celui-ci, à une échelle supérieure, figure 7, une plaque obtenue à partir de l'ébauche de la figure 6, après application du traitement par pyrolyse et, figure 8, le schéma d'application d'un procédé de dépôt de matrice céramique à partir de la phase gazeuse appliqué à la plaque de la figure 7. La figure 1 représente à titre de premier exemple de réalisa- tion la manière dont sont appliqués sur un noyau en graphite 1 des en- roulements de fibres de carbone 2 et, parallèlement à celles-ci, des en- roulements de fibres organiques d'aramide 3. La proportion en poids des fibres d'aramide 3 représente environ 5 % de celle des fibres de carbone 2. On obtient à partir des enroulements une ébauche de tube 4. Pour réaliser un premier fixage de la structure enroulée, on applique sur les deux matériaux fibreux une couche de liant organique à base de résine phénolique, une proportion de résine phénolique de 5 à 10 % en poids étant suffisante. Après durcissement de la résine phénolique à des températures de l'ordre de 140 C, la fabrication de l'ébauche de tube 4 est terminée. Suit alors un traitement par pyrolyse. Au cours de celui-ci, la matrice organique est réduite en carbone à des tempé- ratures supérieures à 400 C sous atmosphère exempte d'oxygène. Simultanément il se forme par décomposition thermique des fibres 3 d'aramides des canaux libres qui subsistent dans le tube 4a. Dans le fragment représenté à la figure 3 du tube 4a vu en coupe transversale à la figure 2, on remarque entre les fibres de carbone 2 les canaux 5 formés à partir des fibres 3 d'aramide. En faisant varier le nombre, l'épaisseur, la forme et l'orientation des fibres 3 d'aramide on peut modifier par des moyens simples le type des canaux 5 et les optimiser en vue du traitement ultérieur. Afin d'illustrer la décomposition thermique des fibres orga- niques sous l'action de la chaleur, la figure 4 représente le résultat d'une analyse thermo-gravimétrique pour l'aramide. Le poids à éliminer en % est porté en ordonnées, la température en C est portée en abcisses. On voit qu'une température comprise entre 550 et 600 C est suffisante pour le processus de pyrolyse, car il ne se produit plus qu'une faible perte de poids à des températures supérieures. D'autres matières thermodurcissables ou d'autres matières organiques présentées sous forme de fibres présentent une courbe similaire lors d'une analyse thermo-gravimétrique. Après le traitement par pyrolyse on prépare l'élément de tube 4a pour l'application d'un procédé de dépôt de la matrice céramique en phase gazeuse (procédé CVI). A cet effet, conformément à la figure 5, on ferme l'élément de tube 4a à ses deux extrémités au moyen de bouchons 6 en graphite qui sont tenus entre eux par une tige filetée 7 à filetage double. Une ouverture repérée par une flèche 8 pour l'introduction des gaz est agencée dans l'autre bouchon 6. Comme gaz on peut utiliser par exemple du méthane, de l'hydrogène et de l'argon pour l'infiltration de l'élément de tube 4a avec du carbone pyrolytique ou du méthyltrichlorosilane, de l'hydrogène et de l'argon pour l'infiltration avec du carbure de silicium. On chauffe ensuite l'en- semble de l'appareil à une température de 1000 C environ, le mélange gazeux repéré par les flèches 9 qui circule dans les pores étant réduit en un matériau composite C/C ou C/Si et se déposant sous forme de matrice céramique dans la structure de fibres. Grâce aux canaux 5 on peut obtenir un dépôt ciblé et régulier de la matrice céramique dans l'élément de tube 4a. Le dépôt s'effectue de préférence d'abord dans les régions à débits d'écoulement élevés (canaux de grande dimension) dans la direction d'écoulement principale. Les figures 6 à 8 représentent comme deuxième exemple de réalisation la fabrication d'une plaque plane en céramique renforcée par fibres. La figure 6 montre la fabrication d'une ébauche d'une plaque 10 fortement agrandie notamment en hauteur. La plaque 10 se compose d'un tissu de fibres de carbone avec des fils de trame 11 et des fils de chaîne 12 dans lesquels des fibres organiques 13 d'aramides sont cousues selon la technique de couture. La distance entre coutures et la longueur des points des fibres d'aramides 13 sont déterminées par la densité du tissu et son épaisseur et peuvent être modifiés de manière simple lors de la fabrication. Pour réaliser le fixage préalable de l'ébauche 10, on imprègne le tissu ainsi cousu d'une solution d'un liant organique à base de résine phénolique, la proportion de liant dans le tissu étant d'environ 10 % en poids. Après évaporation du solvant on durcit le liant aux environs de 140 C sous pression; la fabrication de l'ébauche est alors terminée. On réalise ensuite le traitement par pyro- lyse. La matrice organique et les fibres d'aramide 13 sont réduites en carbone à des températures supérieures à 400 C en atmosphère exempte d'oxygène. Par décomposition thermique des fibres d'aramides 13, il se forme comme indiqué à la figure 7 de fins canaux 14 dont le nombre et la forme sont déterminés par le mode de fabrication. On obtient l'élément en forme de plaque 10a. Le traitement par pyrolyse terminé, on prépare la plaque conformément à la figure 8 en vue du dépôt en phase gazeuse de la matrice céramique. Pour cela on monte la plaque 10a entre une plaque supérieure 15, une plaque inférieure 16 et deux morceaux de tube 17 et 18, tous en graphite. A travers un tube coudé 19 monté dans la plaque inférieure 16 on introduit le gaz sous pression suivant la flèche 20. Le gaz introduit peut uniquement passer par les canaux 14 et les pores qui se trouvent dans la plaque 10a. On chauffe le dispositif à 1000 C en- viron, le gaz qui circule dans les canaux 14 et les pores étant réduit en carbone ou en carbure de silicium. En adoptant des dimensions et des densités différentes pour les canaux 14 on peut contrôler le dépôt par un réglage ciblé des vitesses d'écoulement et des perméabilités pour des épaisseurs de plaques différentes et des densités de tissage diffé- rentes. On obtient ainsi une répartition régulière de la matrice cérami- que dans la plaque 10a terminée. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'éléments en matériaux composites renforcés par fibres dans lequel on imprègne une structure de fibres formée de fibres de carbone ou de fibres céramiques au moyen d'un liant organique et on fait durcir le liant, on soumet l'élément renforcé par fibres obtenu à un traitement par pyrolyse aux fins de réduire en carbone la matrice de liant organique sous une température supérieure à 400 C et sous une atmosphère exempte d'oxygène, puis on forme par dépôt en phase gazeuse une matrice de carbone ou matrice de céra- mique dans l'élément renforcé par fibres, caractérisé par le fait que la proportion de liant dans l'élément est de 10 % en poids maximum et que l'on incorpore une faible quantité de fibres organiques dans la structure de fibres, lesquelles fibres organiques sont réduites en carbone lors du traitement par pyrolyse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise comme fibres organiques, des fibres de matières plastiques thermodurcissables telles que des fibres d'aramide ou des fibres de polyéthylène. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la proportion en fibres de matières plastiques thermodurcissables dans la structure de fibres représente entre 5 et 10 %. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise comme liant pour l'imprégnation de la structure de fibres une solution à base résine phénolique. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour former une matrice de carbone, on utilise lors du dépôt en phase gazeuse un mélange gazeux de méthane, d'hydrogène et d'argon. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour former une matrice céramique de carbure de silicium, on utilise lors du dépôt en phase gazeuse un mélange gazeux de méthyltrichloro- silane, d'hydrogène et d'argon. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour réaliser le dépôt en phase gazeuse on chauffe l'ensemble du dispositif à une température de 1000 'C environ.