Brevet FR2737490A1 — publié le 19970207

PROCEDE DE CARBONISATION POUR L'OBTENTION DE COMPOSITES CARBONE/CARBONE D'ORIGINE PHENOLIQUE La présente invention a trait à un procédé pour la production de composites carbone/carbone à partir de produit(s) phénolique(s) en utilisant un système de vide à sens unique formé d'un métal à bas point de fusion et d'un sable de garnissage. On désigne ici par "composites carbone/carbone" des matériaux obtenus à partir d'une matrice de résine renforcée de fibres de carbone et contenant une teneur élevée en élément carbone, la matrice de résine étant carbonisée afin de transformer la matrice de résine renforcée en matière carbonée pour obtenir un composite de qualité élevée tant pour la résistance aux températures élevées que pour la résistance à l'abrasion. A ce jour, les procédés pour produire des composites carbone/carbone, à partir des divers matériaux précurseurs utilisés, comprennent un dépôt chimique en phase vapeur (CVD), une pyrolyse à basse pression et une mise sous presse chaude isostatique ou un procédé mixte de ceux-ci; si l'on utilise une résine phénolique en tant que précurseur, on utilise, pour la carbonisation, la pyrolyse à basse pression et on produit ainsi les composites carbone/carbone; selon la présente invention, on prend la résine phénolique comme précurseur. Lorsqu'on produit des composites carbone/carbone, c'est fondamentalement pour éliminer les éléments non carbone (tels que l'oxygène, l'hydrogène, l'azote et le soufre, etc.) de la résine, et ne laisser que l'élément carbone pour le disposer en séquence et le rendre structurel. En conséquence, on doit empêcher une attaque par l'oxygène au cours du procédé de carbonisation, de façon à empêcher l'élément carbone (C) et l'oxygène (O) de réagir pour former de l'oxyde de carbone (CO) ou du dioxyde de carbone (COl) qui se volatiliseraient vers l'extérieur et empêcheraient la carbonisation. En conséquence, actuellement, on utilise un gaz inerte tel que l'azote (N2) ou l'argon (Ar) dans le système de carbonisation afin d'empêcher l'air d'entrer dans le système; et, en outre, on élimine, dans le procédé de carbonisation, les éléments non-carbone, de façon à ne pas les laisser réagir avec l'élément carbone. Actuellement, le procédé pour produire des composites carbone/carbone possède les inconvénients suivants: 1. Le temps pour le procédé de carbonisation à une température de 25 C à 10000C est très long, environ 60 heures, d'o une vitesse de production très lente, ce qui engendre un coût et un prix élevés des produits. 2. Les volumes d'azote et d'argon utilisés sont importants, ce qui augmente également le coût. 3. Un état d'étanchéité approprié est nécessaire pour empêcher l'air d'entrer dans le système de carbonisation, d'o en découle également un coût élevé pour l'équipement destiné à maintenir le vide. 4. Le gaz inerte doit être alimenté en continu pour le système de carbonisation; l'écoulement du gaz inerte rend difficile de maintenir une température uniforme dans le système de carbonisation, de sorte que les produits à l'intérieur de la zone de chauffage auront un taux de défauts élevé en raison de l'"effet de température concentrée" induit par un chauffage inégal. 5. Les gaz ou poussières dans le système de production sont évacués directement hors du système de carbonisation et engendrent une pollution, ceci ne satisfait certainement pas à la réglementation de protection de l'environnement. En conséquence, l'inventeur de la présente invention a effectué des études approfondies au vu des inconvénients inhérents aux procédés classiques de production, et il a proposé le procédé de la présente invention pour produire des composites carbone/carbone provenant d'une résine phénolique en utilisant un système de vide à sens unique formé grâce à un métal à bas point de fusion et un sable de garnissage. Le but de la présente invention est de fournir un procédé pour produire des composites carbone/carbone provenant d'une résine phénolique en utilisant un système de vide à sens unique formé d'un métal à bas point de fusion et d'un sable de garnissage. Dans ce procédé, on forme un système isolé de l'environnement avec un métal ou un alliage à bas point de fusion et un matériau de garnissage, afin de produire un effet de différence de pression et un "effet de dispersion à sens unique"; l'air contenu dans le système et le gaz produit au cours du procédé peuvent être évacués vers l'extérieur, et on peut empêcher l'oxygène d'attaquer les composites carbone/carbone au cours de leur procédé de production des composites. On peut obtenir, de façon avantageuse, une réduction du temps de carbonisation et du coût de production, une élévation du taux de carbonisation des produits, un abaissement de la pollution, une simplification de l'opération ainsi qu'un abaissement du coût des équipements. Dans le procédé de production de composite carbone/carbone provenant d'une résine phénolique utilisant le système de vide à sens unique formé du métal à bas point de fusion et du sable de garnissage, on met une quantité prédéterminée de matériau ou de sable de garnissage dans une boite de traitement thermique, on enfonce le matériau à carboniser dans le matériau de garnissage, sur lequel ôn met un métal ou un alliage à bas point de fusion et on chauffe en continu pour le fondre afin de recouvrir complètement les surfaces du matériau de garnissage; un effet de différence de pression et un "effet de dispersion à sens unique" peuvent être ainsi créés: l'air contenu dans le système et le gaz produit au cours du procédé de carbonisation peuvent être évacués vers l'extérieur. On peut ainsi obtenir un état de pseudo-vide ayant le meilleur effet en tant que caractéristique dans le procédé de carbonisation. La présente invention apparaitra dans son principe, ses caractéristiques et ses avantages, à la lecture de la description détaillée de son mode de réalisation préféré en se référant au dessin annexé. Sur ce dessin: la figure 1 est une vue schématique d'une mise en oeuvre de la présente invention avant le procédé de carbonisation, montrant le garnissage; la figure 2 est une vue présentant la mise en oeuvre de la présente invention au début du chauffage à 200 C; à ce stade, l'air contenu dans le système et le gaz produit au cours du procédé de carbonisation peuvent être évacués en raison du chauffage; la figure 3 est une vue présentant la mise en oeuvre de la présente invention lors du chauffage à 200 C-400 C; le métal est fondu afin de recouvrir complètement les surfaces du matériau de garnissage, et la matière à carboniser commence à être carbonisée; la figure 4 est une vue présentant la mise en oeuvre de la présente invention lors du chauffage à 400-1000 C; à ce stade, P1 > PO (décrit ci-après): le gaz contenu dans le système peut être évacué vers l'extérieur, alors que le gaz de l'environnement ne peut pas entrer dans le système, et le procédé de carbonisation se poursuit; la figure 5 est une vue présentant la mise en oeuvre de la présente invention lors du refroidissement de 1000 C à 25 C; à ce stade, le métal se solidifie, le gaz de l'environnement ne peut pas entrer dans le système, et le procédé complet est achevé. On se réfère d'abord à la figure 1, sur laquelle on voit une boite de traitement thermique 1, un matériau de garnissage 2, qui est normalement du sable siliceux ou un autre sable résistant à des températures élevées, un métal ou alliage 3 à bas point de fusion et un matériau à carboniser 4. Comme représenté sur le dessin, on place une quantité prédéterminée de matériau de garnissage 2 dans la boite 1 de traitement thermique. Dans le matériau de garnissage 2, on enfonce le matériau à carboniser 4, et on place le métal ou l'alliage 3 sur le matériau de garnissage 2. Ensuite on chauffe en continu (comme illustré sur la figure 2) la boîte de traitement thermique 1 qui est placée dans un dispositif de chauffage. Les gaz contenus dans le système et produits au cours du procédé de carbonisation commencent alors à être évacués vers l'extérieur. Lorsqu'on monte la température par chauffage jusqu'à 200 C-400 C, le métal ou l'alliage 3 à bas point de fusion fond pour recouvrir complètement les surfaces du matériau de garnissage 2 (comme représenté à la figure 3), ce qui empêche l'air d'entrer dans le système, et la réaction de carbonisation commence. A ce stade, la pression P1 dans le système est supérieure à la pression PO de l'environnement car la pression des gaz chauds est élevée, ce qui empêche ainsi le gaz extérieur d'entrer dans le système. Lorsque la carbonisation est achevée, la température revient à la température ambiante de 25 C (comme l'état représenté à la figure 5); au cours du processus d'abaissement de la température, le gaz extérieur ne peut pas rentrer non plus dans le système et le métal fondu 3 retrouve ensuite son état solide d'origine. Dans le procédé ci-dessus, la carbonisation se déroule totalement dans un état de pseudo-vide, ce qui assure que le matériau 4 de carbonisation ne subit pas d'attaque par l'oxygène. Le matériau de garnissage 2 normalement utilisé est du sable et, en particulier, du sable siliceux ou un autre sable résistant aux températures élevées, l'espace entre chaque grain du sable de garnissage peut être utilisé pour absorber le matériau volatilisé au cours de la carbonisation et peut maintenir la température de façon à réduire le temps pour la carbonisation (plus rapide en production). De plus, la présente invention utilise un mode de chauffage indirect; le chauffage peut être produit à l'aide d'un four classique de traitement thermique, aucun vide n'est nécessaire: ceci peut réduire largement le coQt d'équipement. La température au cours du traitement thermique est uniformément répartie: aucun "effet de température concentrée" ne sera induit dans les produits. De plus, les micro-poussières produites au cours de la carbonisation peuvent être filtrées et recueillies à l'aide du matériau de garnissage 2: aucune pollution ne sera créée par le gaz évacué. Dans la présente invention, le métal 3 à bas point de fusion et le matériau ou sable de garnissage 2 peuvent tous être récupérés pour une réutilisation: la création de déchets peut donc être réduite et les coûts de production peuvent ainsi être abaissés. De plus, le procédé selon la présente invention fournit l'avantage d'une grande facilité de fonctionnement et d'une grande simplicité dans la mise en oeuvre. En résumé, la présente invention utilise le métal à bas point de fusion et le matériau de garnissage afin de former un système isolé de l'environnement et pour produire ainsi un effet de différence de pression et un effet de dispersion à sens unique; l'air contenu dans le système et les gaz produits au cours du procédé de carbonisation peuvent être évacués vers l'extérieur; on peut ainsi obtenir un état de pseudo-vide, et on peut empêcher l'oxygène d'attaquer les composites carbone/carbone au cours du procédé de production desdits composites. On peut obtenir, comme avantage, la réduction du temps de carbonisation et du coût de production, en améliorant le rendement de carbonisation des produits (96,8% peuvent être obtenus à 1000 C) avec un abaissement de la pollution, une simplification de fonctionnement et un abaissement du coût des équipements. L'invention ayant été ainsi décrite, il est évident que de nombreux changements et modifications sont possibles à la lumière des enseignements ci-dessus, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. Il faut, en conséquence, comprendre que l'invention telle que définie dans les revendications, qui suivent, doit être protégée dans son principe. REVENDICATIONS 1. Procédé de carbonisation pour l'obtention de composites carbone/carbone d'origine phénolique caractérisé par le fait que; l'on met une quantité prédéterminée d'un matériau ou d'un sable de garnissage (2) dans une boîte de traitement thermique (1), que l'on enfonce dans ledit matériau de garnissage (2) un matériau à carboniser (4); que l'on met un métal ou alliage à bas point de fusion (3) sur ledit matériau de garnissage (2); que l'on chauffe ensuite en continu ladite boîte de traitement thermique (1) pour fondre complètement ledit métal ou alliage à bas point de fusion (3) afin de recouvrir complètement les surfaces dudit matériau de garnissage (2), un effet de différence de pression et un "effet de dispersion à sens unique" étant ainsi créés, les gaz contenus dans le système et produits au cours de la carbonisation pouvant être évacués vers l'extérieur, ce qui permet ainsi d'obtenir un état de pseudo-vide et d'empêcher une attaque par l'oxygène du (ou des) dits composite(s) carbone/carbone pendant leur production. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau de garnissage (2) est du sable siliceux ou tout autre sable résistant à des températures élevées. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'effet de différence de pression a trait au fait que la pression dans ledit système est supérieure à la pression de l'environnement. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'effet de dispersion à sens unique a trait au fait que le gaz se disperse vers l'extérieur dans un mode à sens unique. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le métal ou alliage à bas point de fusion (3) est un matériau ayant un point de fusion compris entre 200 et 400 C.