Brevet FR2792950A1 — publié le 20001103

TITRE: MATERIAUX COMPOSITES A FIBRES OPTIMISES EN VUE D'ACCROITRE LES CONTRAINTES DE SERVICE ET LA TENUE EN FATIGUE 5. A. DOMAINE DE LA TECHNIQUE Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés pour réaliser des structures 10. mécaniques que ce soit dans l'industrie, les sports et loisirs, le transport... 10. B. ETAT DE LA TECHNIQUE 15. Dans les matériaux composites Fig. 1, on utilise des fibres dites UD (unies directionnelles), des fibres tissées ou des fibres coupées (par exemple à 12mm de longueur), avec des matrices (2) thermoplastiques (fibres coupées) thermodurcissables 20. (tout type de fibre) ou métallique. Les fibres sont réalisées par des assemblages de filaments élémentaires (1) de par exemple 17p de diamètre. Ces filaments sont en général de section circulaire (3) et de diamètre quasi constant sur toute leur longueur.25. Les filaments sont de tout type de matériaux par exemple verre, carbone, bore, aramide, thermoplastique, P.P., PE, PTFE, métal, etc... de façon à optimiser leur propriété d'adhésion avec la matrice, à éviter leur usure quand ils sont " secs " et à30 faciliter leur mise en oeuvre, on les enrobe d'une pellicule de matériaux spécialisés lors d'une opération appelée ensimage. L'ensimage (3") est optimisé en fonction de la matrice (2) avec laquelle sera mise en oeuvre la fibre (1). Certaines fibres sont très difficiles à adhériser avec leur matrice et35 il est nécessaire de les attaquer par effet corona sous vide. Lors du travail d'un composite, les contraintes pénètrent de la matrice vers les fibres en passant par l'interface enzymé, puis cheminent le long des fibres. 40. Sous contraintes fortes Fig. 2, ou en fatigue, les fibres soumises à traction ont tendance à subir une striction et à se délaminer localement de la matrice (3'). Ceci limite la tenue à la fatigue et provoque l'usure des fibres et peut aboutir à la rupture prématurée 45. de la structure. En particulier, avec les fibres coupées, on obtient rapidement un déchaussement des fibres. La matière se met alors à coulisser le long des fibres puis se fracture, d'o un mauvais comportement des fibres longues, notamment en fatigue. 50. C PRINCIPE DEL 'INVENTION 55. Il s'agit de ne plus dépendre de l'adhésion fibre/matrice par " collage ", mais de mettre en place un procédé " mécanique " par interférence de structure, par engrènement, qui ne soit pas sensible aux variations de diamètre des fibres soumise à la traction lors de leur " travail ". 60. Première solution (Fig. 3): 65. Il s'agit de réaliser des filaments élémentaires qui ne sont plus cylindriques, de diamètre constant. On peut fabriquer aisément des filaments de section par exemple circulaire dont le diamètre évolue le long de l'axe du filament (voir section A et B) avec donc des " bosses " (4) et des creux (5). Le diamètre peut par exemple varier sinusoïdalement de par exemple 17 à 27pi, avec un pas de par exemple 1 mm (type 1). Il peut aussi par exemple, Fig. 4, être cylindrique à diamètre constant sur une certaine longueur par exemple 2 mm, puis passer par exemple sur quelques dixièmes de mm de 75. par exemple 17p à 27p et par exemple retomber en quelques dixièmes de mm à 17p (type 2). Nous proposons de désigner une telle structure par " filament perlé ". Ce filament 80. n'est plus alors un " cylindre " (3) capable de glisser dans l'alésage 3' de sa matrice. Mais une " corde à noeuds " qui est solidement engrené mécaniquement avec la matrice environnante. Cette " fibre perlée " peut être utilisée pour faire des renforcements U.D. des tissus et également des renforcements par fibres perlées coupées dans la mesure o les longueurs de fibres coupées contiennent au moins 2 " noeuds " par fibre perlée coupée. L'avantage de cette technique d'interférence purement mécanique est de permettre de rendre solidaire tout type de fibre perlée avec tout type de matrice; même si 90. chimiquement, les fibres sont " incollables "; comme c'est le cas de certaines fibres PE et PP en particulier. Un exemple de moyen de réalisation de fibre perlées avec par exemple le verre est le 95. suivant: 3 "2792950 100. On fabrique les fibres de verre de la façon suivante: D> Première solution: Dans un creuset, on dispose des billes de verre qui fondent 105. et constituent une charge de verre. Le fond du creuset est persé de trous en tétine de 1.5 mm par lequel coule le verre. Les fibres de verre issues du trou du creuset sont arrosées par un mélange eaulensimage, ce qui permet de les refroidir rapidement et de pouvoir les enrouler sur une bobine. On régule la vitesse de rotation pour obtenir une vitesse de traction de 100 m/s. A la sortie du creuset, lorsqu'il est encore pâteux, le filament de verre a une diamètre de 1.5 mm, mais la vitesse de traction est telle qu'en une très faible distance, il voit son diamètre chuter à par exemple 17p. Si l'on veut fabriquer des fibres perlées à génératrice sinusoïdale (c'est à dire à 115. variation de section sinusoïdale; fibres perlées type 1), il est facile de réaliser cette géométrie en intervenant par exemple sur la vitesse de traction. En effet, plus on tire vite, plus le filament s'étire et réduit son diamètre. 120. Si par exemple, on fait vibrer les filaments à 25.000 Hz, on obtient un pas de sinusoïde de 4 mm, s'ils vibrent à 100.000 Hz, le pas est de 1 mm. De telles fréquences sont parfaitement réalisables par exemple avec des sonotrodes ultrasonores (100.000 Hz), avec des moyens électromécaniques (25.000 Hz). On peut imaginer de faire soit vibrer le filament, soit de faire vibrer un galet de tension du fil, soit de faire vibrer la colonne de verre fondue, qui se trouve dans la tétine du creuset ou le bulbe de verre fondu à la sortie du creuset. 130. On peut également pour exemple charger électrostatiquement le fil et l'exciter par passage entre les plaques, d'un condensateur ou d'une bobine HIF. Ce qui a été décrit ci-dessus pour le verre, peut s'appliquer à tout autre type de 135. matériaux modulo une adaptation au process spécifique de production. Si on veut fabriquer des fibres perlées à génératrices non sinusoïdales (fibres perlées type 2), il faut exciter les fibres en traction par des " Diracs " de vitesse; c'est-à-dire des vitesses constantes, rapides, pendant un certain temps, suivi de vitesse lente 140. pendant un bref instant, puis retour à la vitesse rapide.' Cela peut être réalisé par des procédés décrits pour les fibres de type 1, si l'excitation n'est plus sinusoïdale, mais en Dirac. 145. g> Un autre exemple de moyen permettant de réaliser des fibres perlées de type 1 ou 2 est par exemple d'utiliser la fibre déjà froide comme guide d'onde permettant 150. d'exciter le bulbe en fusion et de faire pulser le débit d'alimentation. On peut également exciter par le canal de la tétine de coulée qui peut être par exemple dimensionnée pour entrer en résonance sous une excitation extérieure. r /'t' 2792950 155. On peut également imaginer Fig. 5, d'exciter le bulbe de fusion pour qu'au lieu de varier la surface de la section, il ait un mode de vibration donnant une section de surface par exemple constante, mais de géométrie variable et pulsante, par exemple 160. ayant des génératrices sinusoidales. La section du filament obtenu variant ainsi par exemple le long d'une génératrice d'une élipse aplatie (6) ayant son grand diamètre selon une direction à par exemple un cycle puis une élipse orientée à 90 (7) par rapport à la précédente (fibres perlées de type 3), enfin une combinaison des 3 types de 165. géométrie est envisageable. L'intérêt du type 3 est qu'il offre un bon engrènement mécanique tout en conservant une capacité mécanique (une section de matière) constante le long de la fibre. Notons que la surface de la fibre perlée de type 3 peut ressembler par exemple à une 170. chaîne recouverte d'une gaine ou par exemple à une hélicolde de section elliptique. 175. - Deuxième solution: Fig. 6 Il s'agit de fabriquer des filaments élémentaires destinés à réaliser des structures non tissées non U.D. à très fortes performances mécaniques. Au lieu d'utiliser des filaments coupés, on réalise ici des filaments (8) refermés sur eux- mêmes, constituants 180. des tores (ou cookies) de par exemple 10 mm de diamètre par exemple 27p de section de filament. Ces anneaux sont mis en oeuvre comme des fibres coupées. Ils forment des boucles, des élipses dans la matrice. 185. La forme en anneaux garantie un engrènement mécanique optimal avec la matrice. Une telle géométrie garantie une bonne barrière contre la fissuration de la matrice 2 et le déchaussement des fibres (voir les surfaces fibre 3 et matrice 3'). 190. On atteint un comportement mécanique analogue voir supérieur à un tissu classique tout en ayant mis en oeuvre un matériau non tissé. 195. > Exemple de fabrication des tores: cas du verre. On peut par exemple réaliser un creuset de fusion du verre comportant une tétine de coulée de par exemple 2 mm de diamètre et comportant une broche au centre de la 200. tétine de coulée. A la sortie de la tétine, coule donc une pâte de verre de forme tubulaire. Si le creuset est soumis par exemple à des pulsations de pression, ou à une résonance, la coulée sera discontinue en vitesse. Si de plus le creuset est soumis par exemple à une vitesse de rotation suffisante, les anneaux de verre pâteux du creuset, à 205 la sortie de la tétine, vont être centrifugés avant qu'ils n'aient le temps de se refroidir. 205. Si bien qu'ils vont s'étirer agrandissant leur diamètre et réduisant leur section. 210. A part la force centrifuge, pour obtenir l'expansion de l'anneau qui devient une fibre torique par accroissement du diamètre du tore et réduction de la section de la fibre par étirement. Si par exemple, on charge les anneaux de verre pâteux électriquement, le 215. passage au coeur d'une électrode de charge opposée, provoquera l'expansion. Notons que l'anneau initial peut-être fourni également par des " demi-produits " tel par exemple un tube fondu découpé ou des " cookies " de verre. 220. D. DESCRIPTION DES FIGURES 225. 1. Fibres perlées de type 1, 2 ou 3 2. Matrice 230. 3. Surface des fibres 3'. Surface de la matrice en regard de la surface des fibres 235. 3". Ensimage 4. Zone en perle (ou sinusoïdale maximale) 4'. Alésage de la matrice en vis-à-vis d'une perle 240. 5. Zone en fil (ou sinusoïdale minimale) '. Alésage de la matrice en vis-à-vis de la zone 5 245. 6. Zone en élipse 6'. Zone de la matrice en vis-à-vis de 6 250. 7. Zone en élipse dans un plan différent de 6 7'. Zone de la matrice en vis-à-vis de 7 8. Fibre torique. 255. 6 2792950 REVENDICATIONS Matériaux composites à fibres longues et matrice à propriétés mécaniques, améliorées, caractérisée par l'usage de fibres longues de section longitudinales à géométrie variable. Matériaux composites à fibres courtes et matrice à propriétés mécaniques améliorées, caractérisés par l'usage de fibres coupées de section longitudinales à géométrie variable.