Brevet FR2701665A1 — publié le 19940826

Procécé de fabrication d'une pièce en matériau composite, notamment un panneau sandwich, à partir de plusieurs préformes assemblées La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à partir de plusieurs préformes assemblées et densifiées par une matrice. Un domaine particulier, mais non exclusif, d'application de l'invention est celui de la fabrication de panneaux sandwich en matériau composite thermostructural. Par panneau sandwich, on entend ici une pièce constituée de deux faces minces de revêtement, ou peaux, reliées par une âme disposée entre les deux faces. L'âme est formée de cloisons de raidissement qui s'étendent perpendiculairement aux peaux et qui délimitent entre elles des alvéoles Différents types d'âmes alvéolaires sont bien connus, telles que les âmes en nid d'abeilles, ondulées, tubulaires, à cupules, Dans le domaine des composites froids, les procédés de liaison par collage entre les peaux et l'âme sont couramment maîtrisés. Il en est autrement avec les matériaux composites thermostructuraux, c'est- à-dire les matériaux tels que les composites carbone-carbone ou les composites à matrice céramique dont les propriétés mécaniques les rendent aptes à constituer des éléments de structure et qui sont capables de conserver ces propriétés à des températures élevées. Or, il existe un besoin pour des panneaux sandwich en matériau composite thermostructural, en particulier dans des applications aéronautiques et aérospatiales, par exemple pour former des pièces de structure d'avions spatiaux, d'avions hypersoniques, ou d'avions à propulsion combinée. D'autres applications sont envisageables, notamment pour des pales et aubes de turbines, des supports de miroirs présentant une grande stabilité dimensionnelle, des carénages susceptibles d'être exposés à des flux thermiques importants, ou des cloisons pare-feu dans les domaines aéronautique, marin ou terrestre. Différents procédés sont certes connus permettant la fabrication de pièces de forme complexe en matériau composite thermostructural, par réalisation de préformes distinctes pour différentes parties des pièces, assemblage des préformes dans un état non densifié ou incomplètement densifié et co-densification des préformes assemblées, mais ces procédés ne conviennent pas parfaitement dans le cas de panneaux sandwich. Un procédé connu, décrit notamment dans le document EP-A-0 051535, consiste à déposer un liant thermolysable par enduction entre les faces en regard des préformes des peaux et de l'âme, avant leur densification complète, puis à réaliser la thermolyse du liant et la co-densification des peaux, de l'âme et du liant. Ce procédé présente l'inconvénient de ne pas autoriser une maîtrise uniforme de la qualité de la liaison, celle-ci étant fonction du liant utilisé et de la surface spécifique de liaison En outre, la masse du panneau est pénalisée par la présence du liant. Un autre procédé connu consiste à mettre en oeuvre une liaison de type textile par couture ou implantation de fibres, mais une densité importante de points de liaison est nécessaire pour éviter la concentration de contraintes aux points de liaison et assurer une liaison suffisante. Il est encore envisageable de réaliser un assemblage par visserie entre les peaux et l'âme, éventuellement après densification de leurs préformes constitutives. Ces liaisons ainsi réalisées sont efficaces, mais ponctuelles Une réduction des concentrations de contraintes implique une géométrie complexe d'interface entre visserie et peaux ainsi que la présence d'inserts. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de fournir un procédé permettant d'assurer, de façon simple et peu coûteuse, une liaison efficace et uniforme entre préformes de différentes parties d'une pièce en matériau composite avant leur co-densification L'invention a aussi pour but de fournir un tel procédé convenant particulièrement pour la fabrication d'un panneau sandwich en matériau composite thermostructural par assemblage et co-densification de préformes des peaux et de l'âme du panneau. Conformément à l'invention, l'assemblage entre deux préformes est réalisé au moins en partie par liaison entre des surfaces respectives en contact des deux préformes, au moyen de fibrilles qui font saillie à la surface de l'une au moins des préformes et dans lesquelles s'imbrique la surface de l'autre préforme. De préférence, les fibrilles font saillie perpendiculairement à la surface de la préforme. Les surfaces en contact peuvent présenter toutes deux des fibrilles en saillie, de sorte que l'assemblage des préformes peut être réalisé au moins en partie par imbrication mutuelle de ces surfaces grâce aux fibrilles qu'elles présentent. Selon une particularité du procédé conforme à l'invention, des fibrilles sont formées à la surface d'une préforme fibreuse par des extrémités de fibres de celle- ci déplacées par aiguilletage de la préforme. A cet effet, la préforme fibreuse est aiguilletée sur un substrat qui est ensuite séparé de la préforme pour laisser apparentes les extrémités de fibres de la préforme entraînées dans le substrat lors de l'aiguilletage, et former ainsi les fibrilles. En variante, dans le cas d'une préforme formée de strates fibreuses bidimensionnelles superposées et aiguilletées entre elles, l'une au moins de strates superficielles de cette préforme est pelée pour laisser apparentes les extrémités de fibres qui ont été entraînées dans cette strate lors de l'aiguilletage et former ainsi les fibrilles. Le procédé conforme à l'invention tel que défini plus haut convient particulièrement à la réalisation de panneaux sandwich en matériau composite thermostructural Dans ce cas, l'assemblage entre la préforme fibreuse d'une peau et la préforme de l'âme est réalisé au moins en partie au moyen de fibrilles qui font saillie perpendiculairement à la surface de la préforme de la peau et dans lesquelles s'imbriquent les extrémités des cloisons de la préforme de l'âme. D'autres particularités et avantages du procédé selon l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une partie d'un panneau sandwich; les figures 2 A à 2 F illustrent différentes étapes d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour fabriquer le panneau de la figure 1; la figure 3 illustre une variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention; les figures 4 A à 4 E illustrent différentes étapes d'une autre variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour fabriquer le panneau de la figure 1. La figure 1 illustre un panneau 10 en matériau composite thermostructural, tel qu'un composite carbone-carbone (renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbone) ou un composite à matrice céramique (renfort en fibres réfractaires -carbone ou céramique densifié par une matrice céramique). Le panneau 10 comprend deux revêtements, ou peaux 12, 14, et une âme alvéolaire formée de cloisons 22 qui s'étendent entre les peaux 12, 14 perpendiculairement à celles-ci Dans cet exemple, les alvéoles 24 délimitées par les cloisons 22 ont une forme en nid d'abeilles, d'autres formes étant bien entendu possibles. Pour la fabrication du panneau 10, il est procédé à la réalisation de préformes fibreuses différentes pour les peaux 12, 14 et l'âme 20. Les préformes 13, 15 des peaux sont formées par drapage (empilement) de strates fibreuses bidimensionnelles 11 (figure 2 A) Les strates 11 sont constituées par exemple de couches de tissu, ou de nappes de câbles éventuellement avec interposition de voiles de fibres Les strates 11 sont en fibres de carbone ou en fibres d'un précurseur de carbone tel que le polyacrylonitrile (PAN) préoxydé Le nombre de strates 11 est choisi en fonction de l'épaisseur désirée des peaux Les strates 11 sont liées entre elles par aiguilletage Un procédé d'aiguilletage de strates empilées à plat est décrit notamment dans le document FR-A-2 584 106. L'aiguilletage des strates a pour effet de prélever des fibres dans les strates 11, ou les voiles de fibres interposées entre elles, et de disposer ces fibres perpendiculairement aux strates. Après aiguilletage, une strate superficielle lia au moins est pelée du reste de la préforme 13 (figure 2 B) Les extrémités des fibres introduites dans la strate 11 a lors de l'aiguilletage forment des fibrilles 17 qui font saillie perpendiculairement à la surface de la préforme 13 De façon similaire, une strate superficielle 11 b au moins est pelée du reste de la préforme 15, laissant apparaître des fibrilles 19. La préforme de l'âme 20 est formée par des feuilles cannelées obtenues par drapage et moulage de couches de tissu 21 préimprégnées par une résine (figure 2 C) La résine est utilisée en quantité suffisante pour, après sa réticulation et sa pyrolyse, assurer un maintien (consolidation) des préformes des feuilles cannelées, sans toutefois les densifier complètement. Les feuilles cannelées 23 obtenues après réticulation de la résine sont assemblées pour former un bloc 25 à alvéoles 26 (figure 2 D) L'assemblage est par exemple réalisé par collage des parois en contact des feuilles 23 au moyen de la résine utilisée pour l'imprégnation des couches de tissu 21 Le bloc 25 est découpé à la longueur des alvéoles correspondant à l'épaisseur désirée du panneau (espacement entre les peaux) On obtient ainsi une préforme de l'âme 20, partiellement densifiée. La préforme 27 ainsi obtenue est insérée entre les surfaces des préformes 13, 15 présentant les fibrilles 17, 19 (figure 2 E) Comme le montre de façon plus détaillée la figure 2 F, chaque partie 29 de la préforme 27 correspondant à une cloison 22 de l'âme s'étend perpendiculairement aux surfaces des préformes 13, 15. Les extrémités des parties 29 de préforme s'insèrent dans les fibrilles ( 17). Les préformes 13, 15 et 27 ainsi assemblées sont co-densifiées par le matériau (carbone ou céramique) constitutif de la matrice La codensification est réalisée par exemple par infiltration chimique en phase vapeur Les techniques d'infiltration chimique en phase vapeur de carbone ou de céramique sont bien connues Après densification, on obtient un panneau semblable à celui illustré par la figure 1. La pyrolyse de la résine d'imprégnation des couches de tissu 21 et de collage des feuilles 23 est réalisée préalablement à la co-densification Il en est de même pour la carbonisation des fibres constitutives des strates 11 et/ou des couches 21 lorsque ces fibres sont, non pas en carbone, mais en un précurseur de celui-ci Dans ce dernier cas, la carbonisation peut être réalisée sur les préformes 13, 15, 27 avant leur assemblage, et même avant le pelage des strates la, îlb. Dans ce qui précède, les fibrilles des préformes 13, 15 sont avivées par pelage d'une ou plusieurs strates 11. Les strates destinées à être pelées pourront être remplacées par un substrat sur lequel le reste des strates est aiguilleté Lorsque les fibres des préformes 13, 15 sont en un précurseur de carbone, le substrat peut être constitué par exemple par une ou plusieurs couches de tissu en carbone Par contre, lorsque les fibres des préformes 13, 15 sont en carbone, et qu'une carbonisation des préformes ne sera pas nécessaire, le substrat peut être constitué par une ou plusieurs feuilles de polyéthylène. L'assemblage entre les préformes au moyen des fibrilles peut être complété par liage sur un conformateur, en utilisant un procédé similaire à celui décrit dans le document FR-A-2 660 591. Dans l'exemple illustré par la figure 3, l'ensemble formé par la préforme 13, la préforme 27 et la préforme 15 est appliqué sur la face supérieure plane d'un conformateur 30 au moyen de fils de liage 32 La préforme 27 a, dans cet exemple, une forme de trapèze, les préformes 13 et 15 se rejoignant de part et d'autre de la préforme 27, la liaison entre les parties terminales des préformes 13 et 15 étant assurée par imbrication mutuelle entre les fibrilles de leurs surfaces en contact. Les fils de liage 32 traversent la préforme 15, passent dans des alvéoles de la préforme 27, traversent la préforme 13 et passent dans des trous 34 du conformateur 30 en formant des lignes de couture parallèles. Diverses formes pourront être données à la structure sandwich, y compris des formes tubulaires, les peaux formant alors deux tubes coaxiaux entre lesquels l'âme s'étend avec des alvéoles radiales. Un autre mode de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention pour la fabrication d'un panneau tel que montré sur la figure 1, est illustré par les figures 4 Aà 4 E. Les préformes 13, 15 des peaux du panneau sont obtenues comme décrit plus haut, avec avivage des fibrilles 17, 19 par pelage d'une ou plusieurs strates superficielles (figure 4 A). La préforme alvéolaire de l'âme du panneau est fabriquée comme décrit dans la demande de brevet français No 9206790 intitulée "Structure en nid d'abeilles en matériau composite thermostructural et son procédé de fabrication". En résumé, des strates fibreuses bidimensionnelles 31 sont superposées et liées par aiguilletage Des découpes 32 en forme de fentes sont réalisées en quinconce, leur dimensions et localisations définissant les dimensions et formes des alvéoles Les découpes sont réalisées dans des plans parallèles entre eux et perpendiculaires aux plans des strates (figure 4 B). Après réalisation des découpes, la préforme est étirée en direction perpendiculaire aux plans des découpes (figure 4 C), ce qui se traduit par la formation d'alvéoles 33. Après étirage, la préforme 36 obtenue est densifiée en étant maintenue à l'état étiré au moyen d'un outillage constitué par une sole 34 et des pions 35 implantés dans des alvéoles 33. L'ensemble constitué par l'outillage 34, 35 et la préforme 36 est introduit dans un four dans lequel la préforme est densifiée partiellement par infiltration chimique en phase vapeur La densification est réalisée de façon juste suffisante pour consolider la préforme de sorte qu'elle conserve sa forme après retrait de l'outillage (figure 4 D). La préforme 36 est introduite entre les préformes 13, 15 Les extrémités des parois des alvéoles 33 s'imbriquent dans les fibrilles 17, 19 présentes sur les préformes 13, 15 (figure 4 E). Les préformes ainsi assemblées sont soumises à une co-densification par infiltration chimique en phase vapeur conduisant au panneau recherché. Dans ce qui précède, les fibrilles présentes à la surface d'au moins une des préformes à assembler sont constituées par des fibres de la préforme non densifiée. Afin de conférer aux fibrilles une plus grande rigidité, il pourra être procédé à leur consolidation avant assemblage des préformes A cet effet, la ou chaque préforme munie de fibrilles est partiellement densifiée Cette densification partielle peut être réalisée par voie liquide, c'est-à-dire imprégnation par une résine et pyrolyse, ou par voie gazeuse, c'est-à-dire infiltration chimique en phase vapeur La consolidation de préformes fibreuses est une opération connue en soi, habituellement réalisée pour assurer une cohésion minimale entre les fibres permettant à la préforme d'être manipulable et de conserver sa forme sans l'assistance d'un outillage de maintien. Les fibres ainsi rigidifiées se comportent pratiquement comme des picots, assurant une imbrication plus efficace entre les surfaces en contact des préformes assemblées. La rigidité de ces picots permet aussi d'envisager l'assemblage de préformes qui en sont munies avec des préformes autres que fibreuses, par exemple des préformes constituées par des mousses, dans la surface desquelles les picots peuvent pénétrer, l'assemblage étant, comme précédemment, complété par co- densification. Ainsi, dans le cas de la fabrication d'un panneau sandwich, les fibrilles rigidifiées obtenues par consolidation par densification partielle des préformes des peaux peuvent être engagées dans la surface d'une préforme d'une âme réalisée non pas sous forme d'une texture fibreuse, mais réalisée sous forme d'un bloc de mousse de faible densité avec lequel les préformes des peaux sont assemblées avant co-densification. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comportant: la réalisation de préformes distinctes pour différentes parties de la pièce, l'assemblage des préformes dans un état non densifié ou non complètement densifié, et la co-densification des préformes assemblées, caractérisé en ce que l'assemblage entre deux préformes est réalisé au moins en partie par liaison entre des surfaces respectives en contact des deux préformes au moyen de fibrilles qui font saillie à la surface de l'une au moins des préformes et dans lesquelles s'imbrique la surface de l'autre préforme. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibrilles font saillie perpendiculairement à la surface de la préforme. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'assemblage entre deux préformes est réalisée au moins en partie par imbrication mutuelle de leurs surfaces en contact au moyen de fibrilles qui font saillie sur chacune de ces surfaces. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des fibrilles sont formées à la surface d'une préforme fibreuse par des extrémités de fibres de celle-ci déplacées par aiguilletage de la préforme. 5 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la préforme fibreuse est aiguilletée sur un substrat qui est ensuite séparé de la préforme pour laisser apparentes les extrémités de fibres de la préforme entraînées dans le substrat lors de l'aiguilletage, et former ainsi les fibrilles. 6 Procédé selon la revendication 4, dans lequel une au moins des préformes est formée de strates fibreuses bidirectionnelles superposées et aiguilletées entre elles, caractérisé en ce que l'une au moins de strates superficielles de cette préforme est pelée pour laisser apparentes les extrémités de fibres qui ont été entraînées dans cette strate lors de l'aiguilletage et former ainsi les fibrilles. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les fibrilles sont rigidifiées par consolidation par densification partielle de la préforme qui les porte, avant assemblage des préformes. 8 Procédé de fabrication d'un panneau sandwich en matériau composite, le panneau comprenant deux peaux rigides entre lesquelles est disposée une âme formée de cloisons perpendiculaires aux peaux, le procédé comportant: la réalisation de préformes distinctes pour les peaux et l'âme du panneau, l'assemblage des préformes dans un état non densifié ou non complètement densifié, et la co-densification des préformes assemblées, caractérisé en ce que l'assemblage entre les préformes d'une peau et de l'âme est réalisé au moins en partie par liaison entre leurs surfaces de contact au moyen de fibrilles qui font saillie perpendiculairement à la surface de la préforme de la peau et dans lesquelles s'imbriquent les extrémités des préformes des cloisons. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que des fibrilles sont formées à la surface de la préforme fibreuse d'une peau par des extrémités de fibres de celle-ci déplacées par aiguilletage de la préforme Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la préforme fibreuse d'une peau est aiguilletée sur un substrat qui est ensuite séparé de la préforme pour laisser apparentes les extrémités de fibres de la préforme entraînées dans le substrat lors de l'aiguilletage et former ainsi les fibrilles 11 Procédé selon la revendication 9, dans lequel la préforme d'une peau est formée de strates fibreuses bidimensionnelles superposées et aiguilletées entre elles, caractérisé en ce que l'une au moins de strates superficielles de la préforme est pelée pour laisser apparentes les extrémités de fibres qui ont été entraînées dans cette strate lors de l'aiguilletage et former ainsi les fibrilles. 12 Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les fibrilles sont rigidifiées par consolidation par densification partielle des préformes fibreuses des peaux avant leur assemblage avec la préforme de l'âme. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les préformes des peaux munies de fibrilles rigidifiées sont assemblées avec une préforme d'âme constituée par une mousse. 14 Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que l'assemblage entre les préformes des peaux et de l'âme est complété par liage de l'ensemble sur un conformateur.