Brevet FR2727052A1 — publié le 19960524

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau poreux à travers lequel une aspiration est appliquée pour maintenir un contrôle de l'écoulement laminaire. La production de grandes zones d'écoulement d'air laminaire sur la surface d'un avion peut amener une diminution de traînée significative et donc des économies de combustible. En reformant la surface pour obtenir des gradients de pression favorables dans le sens de l'écoulement, la transition de l'air à partir de l'écoulement laminaire vers l'écoulement turbulent sera retardée et la surface aura un écoulement laminaire naturel. Alternativement, de l'air peut être retiré ou injecté à travers une surface poreuse pour empêcher l'apparition de turbulences dans la couche limite d'air adjacente à la surface. Ceci est connu comme contrôle de l'écoulement laminaire. Pour une application donnée, l'écoulement laminaire optimal peut nécessiter une combinaison d'un certain reformage limité et d'un contrôle d'écoulement laminaire appliqué d'une manière sélective. Il est connu de fabriquer des surfaces d'avions tels que des ailes ou la nacelle de moteurs d'avions à partir de moulages de fibres de carbone dans lesquel des couches de fibres de carbone dans une matrice de résine époxy sont moulées en forme par chaleur et pression contre une surface d'un outil à forme. Si le contrôle d'écoulement laminaire est nécessaire sur la surface, alors elle doit être pourvue d'un grand nombre de très petits trous. Ceci est réalisé en forant la surface de fibres de carbone avec soit un faisceau laser, soit un faisceau à électrons. Des problèmes avec ce procédé connu de fabrication sont que l'opération de forage est chère et prend beaucoup de temps. Les trous forés sont soumis à des erreurs et des problèmes de tolérance et si les trous forés ne sont pas de la taille correcte, l'écoulement laminaire peut être transformé en un écoulement turbulent. Des trous forés par laser s'amincissent et par conséquent doivent être forés à partir du côté arrière de la surface pour maximiser la qualité de la surface. Avec les opérations de forage soit par faisceau laser, soit par faisceau d'électrons, un écoulement d'air vers l'extérieur est nécessaire pour empêcher un blocage des trous avec les débris générés pendant l'opération de forage. La présente invention cherche à fournir un procédé de fabrication d'un matériau poreux qui élimine la procédure de forage et les problèmes associés. Un matériau poreux fabriqué selon la présente invention a une porosité définie de manière précise, une bonne résistance mécanique et un poids relativement faible. Selon la présente invention, un procédé de fabrication d'un matériau poreux comprend les étapes de produire une première couche de fibres tissées en entrelaçant des 2. fibres de carbone ayant une certaine orientation avec des fibres thermoplastiques ayant une orientation différente, de superposer une seconde couche de fibres de carbone sur la première couche de fibres tissées, les fibres de carbone de la seconde couche ayant la même orientation que les fibres thermoplastiques dans la première couche, de lier ensemble les première et seconde couches de fibres, d'appliquer une pâte céramique à la seconde couche et de permettre à celle-ci de pénétrer à travers la seconde couche et partiellement à travers la première couche jusqu'à une profondeur contrôlée, de sécher la pâte céramique de sorte qu'elle forme un masque, d'appliquer une poudre thermoplastique directement sur la première couche de fibres et de permettre à celle-ci de pénétrer jusqu'à ce qu'elle rencontre le masque, de fritter la poudre thermoplastique et de retirer chimiquement le masque et les fibres thermoplastiques dans la première couche. Une structure poreuse fabriquée selon la présente invention offre l'avantage que la couche de thermoplastique frittée est renforcée par les fibres de carbone qui sont mécaniquement liées à celle-ci. Les pores dans la couche thermoplastique sont crées pendant la processus de frittage plutôt que de devoir les forer dans une opération d'usinage ultérieure. Les pores dans la couche thermoplastique frittée sont plus petits que les trous formés par les autres processus de percement. Ceci donne des avantages aérodynamiques et la taille des pores peut être commandée, par la sélection d'une poudre ayant une taille de particules appropriées de sorte que les pores sont plus petits que la plupart des particules de poussière. De préférence, la poudre thermoplastique est du polyéthylène et les fibres thermoplastiques sont des fibres de polycarbonate qui sont chimiquement retirées par un spray de solvant d'acétone. Dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, les fibres de carbone dans les première et seconde couches sont imprégnées avec une résine époxy qui, lorsque cuite, lie ensemble les première et seconde couches. De préférence, la pâte céramique consiste en une poudre céramique dans un liant soluble dans l'eau tel que de l'acétate de polyvinyle. La présente invention sera maintenant décrite en référence aux dessins joints, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique et une installation de moteur et de nacelle pour un avion, - la figure 2 est une vue en section d'une partie du bord avant d'une nacelle ayant une surface poreuse extérieure selon la présente invention, et - les figures 3 à 6 montrent la fabrication d'un matériau poreux selon la présente invention. En référence à la figure 1, un moteur à turbine à gaz 10 est compris dans une nacelle 12. Le moteur 10 et la nacelle 12 sont supportés de manière conventionnelle à partir d'un pylône 14 sous l'aile d'un avion 16. Le bord avant 18 de la nacelle 12 comprend une structure poreuse 30 fixée à la surface de structure formée 24 (figure 2). Une plaque de renforcement 20 est fixée à la surface intérieure de la surface de structure formée 24 pour définir une chambre 22 qui peut être évacuée par une pompe d'aspiration (non représentée). Un contrôle d'écoulement laminaire est fourni au bord avant 18 de la nacelle 12 lorsque l'avion est en vol. En vol, un écoulement d'air passe sur la surface extérieure de la structure poreuse 30 dans la direction de la flèche A de la figure 2. La chambre 22 est évacuée par la pompe d'aspiration (non représentée) et la couche limite de l'écoulement d'air est aspirée à travers la structure poreuse 30. En aspirant la couche limite à travers la structure poreuse 30, l'apparition de turbulence dans l'écoulement d'air passant sur le bord avant 18 de la nacelle 12 est empêchée. La structure poreuse 30 comprend une couche thermoplastique frittée 40 renforcée avec des fibres de carbone 34 et 36, fixée à la surface de structure formée 24 de la nacelle 12. Lorsque l'aspiration est appliquée, de l'air passe à travers la couche thermoplastique frittée 40 le long des canaux 42 dans les fibres de carbone 34, 36 vers des trous 26 prévus dans la surface 24 de la nacelle 12. La couche thermoplastique frittée 40 est fabriquée de sorte qu'une liaison mécanique existe entre elles et les fibres de carbone 34, 36. La structure poreuse 30 est fabriquée en tissant des fibres de polycarbonate 32, par exemple du nylon, à travers une étoupe de fibres de carbone 34 qui a été pré-imprégnée avec une résine époxy, figure 3. Une seconde couche de fibres de carbone 36, qui a également été pré- imprégnée avec une résine époxy est superposée sur la première couche de fibres entrelacées 32 et 34, figure 4. Les fibres de carbone 36 sont orientées dans la même direction que les fibres de nylon 32 dans la première couche. Les fibres de carbone pré-imprégnées 34 et 36 sont ensuite cuites à 120 C de sorte que la résine époxy lie les fibres 32, 34 et 36 ensemble. Une pâte céramique, consistant en une poudre céramique dans un liant d'acétate de polyvinyle, est ensuite appliquée par coulée en barbotine. La pâte pénètre à travers la seconde couche de fibres de carbone 36 et partiellement à travers la première couche de fibres tissées 32 et 34, figure 5. La pâte pénètre jusqu'à une profondeur contrôlée avant d'être séchée pour former un masque 38. Une poudre thermoplastique, telle que du polyéthylène, est appliquée directement sur la surface externe de la première couche de fibres tissées 32 et 34. La poudre de polyéthylène pénètre à travers la première couche de fibres tissées 32 et 34 jusqu'à ce qu'elle rencontre le masque 38 appliqué précédemment. L'ensemble est ensuite traité thermiquement et roulé pour fritter la poudre thermoplastique en une couche poreuse 40 qui est mécaniquement fixée à la première couche des fibres tissées 32 et 34. Le masque 38 est retiré par de l'eau chaude qui dissout le liant d'acétate de polyvinyle et extrait par lavage la poudre de céramique. Les fibres de nylon 32 sont ensuite dissoutes dans un solvant tel que de l'acétone pour laisser des canaux 42. La figure 6 représente le matériau poreux après que le masque 38 et les fibres de nylon ont été retirés. Le matériau poreux est fixé, de préférence par adhésif, à la surface de structure formée 24 de la nacelle 12. Lorsque l'aspiration est appliquée, de l'air passe à travers la couche thermoplastique frittée 40 et le long des canaux 42 vers les trous 26 prévus dans la surface 24 de la nacelle 12. Le matériau poreux représenté sur la figure 6 peut être coupé à une forme et est suffisamment flexible pour s'adapter à toutes courbures que l'on trouve dans la pratique sur les surfaces de nacelle 24. Dès lors que la couche thermoplastique frittée 40 est mécaniquement fixée aux fibres de carbone 34 et 36, la surface est résistante à la délamination qui permettra à de l'air d'être soufflé à travers elle, si nécessaire. Il sera apprécié par un homme du métier que des variations sont possibles dans le procédé décrit. Différentes fibres thermoplastiques 32 peuvent être utilisées dans la première couche tissée à condition qu'elle résiste au liant utilisé dans la pâte céramique et qu'elle ne fonde pas à la température de cuisson de l'époxy. Les fibres thermoplastiques 32 et le liant céramique doivent être choisis pour résister à la température de frittage de la poudre thermoplastique. De manière similaire, la poudre thermoplastique utilisée pour former la couche poreuse 40 doit être choisie pour donner la taille de pores requise et la perméabilité de pores requise pour un contrôle d'écoulement laminaire et doit résister au solvant utilisé pour retirer les fibres thermoplastiques 32 et le masque 38. Des variations de la porosité de la couche thermoplastique peuvent être obtenues en frittant des poudres ayant différentes tailles de particules et/ou en variant l'épaisseur de la couche poreuse. Bien qu'une structure poreuse selon la présente invention ait été décrite en référence à la nacelle 12 pour un moteur d'avion 10, il sera apprécé par un homme du métier qu'elle pourrait avoir d'autres applications. En particulier, elle pourrait être utilisée pour des ailes d'avion et d'autres parties de l'avion o un contrôle d'écoulement laminaire est nécessaire pour minimaliser la traînée aérodynamique. Revendications 1.- Procédé de fabrication d'un matériau poreux, caractérisé en ce que les étapes comprennent de produire une couche de fibres tissées en entrelaçant des fibres de carbone (34) ayant une certaine orientation avec des fibres thermoplastiques (32) ayant une orientation différente, de superposer une seconde couche de fibres de carbone (36) sur la première couche de fibres tissées, les fibres de carbone (36) de la seconde couche ayant la même orientation que les fibres thermoplastiques (32) dans la première couche, de lier ensemble les première et seconde couches de fibres, d'appliquer une pâte céramique à la seconde couche et de permettre à celle-ci de pénétrer à travers la seconde couche et partiellement à travers la première couche jusqu'à une profondeur contrôlée, de sécher la pâte céramique de sorte qu'elle forme un masque (38), d'appliquer une poudre thermoplastique (40) directement sur la première couche de fibres et de permettre à celle- ci de pénétrer jusqu'à ce qu'elle rencontre le masque (38), de fritter la poudre thermoplastique (40) et de retirer chimiquement le masque (38) et les fibres thermoplastiques (32) dans la première couche. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre thermoplastique (40) est du polyéthylène. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres thermoplastiques (32) dans la première couche sont des fibres de polycarbonate. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les fibres de polycarbonate (32) sont retirées chimiquement par un spray de solvant. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le solvant est de l'acétone. 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres de carbone (34, 36) dans les première et seconde couches sont imprégnées avec une résine époxy qui, lorsque cuite, lie ensemble les première et seconde couches. 7.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pâte consiste en une poudre céramique dans un liant soluble à l'eau. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le liant est de l'acétate de polyvinyle.