Brevet FR2836548A1 — publié le 20030829

La présente invention concerne une structure composite comprenant une matrice et une pluralité de fibres noyées dans la matrice. Dans les structures composites connues de ce type, les fibres, disposées dans le sens des contraintes de traction et noyées dans la matrice (par exemple une résine polymère) qui assure leur cohésion, sont utilisées essentiellement pour leurs caractéristiques mécaniques. Un inconvénient majeur des matériaux composites par rapport aux matériaux homogènes comme les métaux réside dans la difficulté de détecter l'apparition de phénomènes physiques, notamment mécaniques et thermiques. Ainsi, des dispositions relatives à la sécurité, connues et largement expérimentées pour les appareils construits dans des matériaux plus traditionnels comme les métaux, ne peuvent pas toujours s'appliquer. Il est par conséquent difficile de prévoir ou de détecter une rupture ou une destruction du matériau. Par exemple, lors d'une exposition au feu, il est relativement aisé de détecter l'échauffement d'un objet constitué de métal, donc conducteur de la chaleur, alors q'un objet constitué de matériau composite ne s'échauffera que localement et rendra les sondes de température classiques inefficaces. 1 D'un point de vue mécanique, on salt que les fibres utilisées dans les matériaux composites ont notamment d'excellentes caractéristiques de résistance à la traction, mais qu'elles peuvent être assez aisément blessées par un objet coupant, ce qui entraîne une réduction sensible de la résistance de l'objet dont elles assurent précisément la robustesse. On a déjà proposé dans l'état de la technique de protéger une structure en matériau composite en l'enveloppant de matériau protecteur du point de vue mécanique, électrique, et/ou thermique. Cette solution conduit à augmenter le poids et l'encombrement final de la structure, donc à perdre en partie le bénéfice de l'emploi de matériaux composites. Cette solution a également un coût non négligeable. On a également proposé de contrôler une structure en matériau composite en disposant des capteurs appropriés aux phénomènes ou événements redoutés, à savoir par exemple élévation de températures, accélération, contraintes mécaniques importantes, présence de produits corrosifs, en différents points de la structure. Cependant, il est toujours possible que le phénomène ou l'événement se manifeste en un point non contrôlé. L'invention a pour objet de remédier à ces inconvénients, et de proposer une structure composite adaptée au contrôle de l'apparition de phénomènes physiques pouvant porter atteinte à l'intégrité des fibres ou de la structure, sans augmenter son poids ni son encombrement, en permettant de réaliser le contrôle sur l'essentiel de celle- ci. A cet effet, la structure comporte, appliqués sur au moins une fibre, des moyens de mise à disposition d'une information représentative d'une atteinte portée à l'intégrité de ladite fibre. ,-e sT Ces moyens peuvent, suivant un premier mode de réalisation, comporter un fluide de détection. Ces moyens peuvent alors comporter en outre un dispositif de détection de pression ou de gaz, raccordé à ladite fibre, celle-ci étant une fibre creuse contenant ou pouvant conduire le fluide de détection. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, la fibre peut être une fibre électriquement conductrice pouvant être raccordée à un dispositif de détection électrique, ou une fibre optique pouvant être raccordée à un dispositif de détection optique. L'invention vise également l'utilisation d'une fibre d'un matériau composite comprenant une matrice et une pluralité de fibres noyées dans la matrice pour réaliser la détection d'un phénomène physique. L'invention vise enfin l'utilisation du matériau décrit précédemment ou de la structure décrite précédemment pour la fabrication, notamment par enroulement filamentaire, des articles suivants : réservoirs, bouteilles, conduits de transport de fluide, éléments de structure de véhicule, ou gaines pour câbles électriques ou pour faisceaux de fibres optiques. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en référence à la Figure unique du dessin annexé, cette Figure étant une vue schématique en perspective d'une nappe de matériau composite conforme à l'invention. Sur la Figure, on a représenté une nappe 1 de matériau composite constitué d'une matrice 2, réalisée par exemple en résine polymère, et de fibres 3,5 noyées dans la matrice 2. Dans l'exemple représenté, les fibres 3,5 s'étendent toutes dans un même plan, parallèlement les unes aux autres, mais il est parfaitement concevable dans le cadre de l'invention de prévoir plusieurs couches de fibres, les fibres d'une couche pouvant s'étendre dans une direction différente de celle d'une autre couche. Les fibres pourraient être torsadées ou tressées. Les fibres 3,5 peuvent être identiques ou d'au moins deux types différents. Dans l'exemple représenté, un ensemble de fibres 3 sont d'un type classique et sont utilisées uniquement pour leur propriétés mécaniques, en vue de conférer à la nappe composite 1 la résistance ou tenue mécanique recherchée, notamment la résistance à la traction dans la direction des fibres. Un autre ensemble de fibres 5 constituent des fibres sensibles associées à des moyens de détection d'un ou plusieurs phénomènes physiques, dont des exemples seront donnés par la suite. Pour cela, ces fibres 5 sont dotées de propriétés de conduction ou d'émission de signal significatif d'un phénomène physique, de façon à pouvoir être associées à un dispositif de détection sensible à un tel signal. Les fibres sensibles 5 peuvent être de types différents de façon à pouvoir détecter des phénomènes physiques de natures différentes. Ces fibres 5 peuvent être disposées régulièrement dans la nappe de matériau composite 1, ou uniquement dans des zones privilégiées d'apparition du ou des phénomène (s). Dans un premier exemple de réalisation de l'invention, les fibres sensibles 5 peuvent être constituées d'une matière électriquement conductrice, notamment en métal, et faire saillie de la matrice 2, comme représenté sur la Figure, de façon à pouvoir être raccordées à un dispositif électrique de détection. Ces fibres conductrices sont isolées, par exemple de façon individuelle. Dans cet exemple de réalisation, les fibres sensibles peuvent définir des fibres de détection thermique. Par exemple, les fibres sensibles peuvent être constituées de matière dont la résistiviré varie avec la température e avec la température suivant une loi connue. Ainsi, en mesurant la résistance électrique de ces fibres au moyen du dispositif de détection, on peut détecter des variations de température dans le matériau. En variante, les fibres sensibles peuvent être constituées d'un matériau fusible à la température maximum que la structure peut supporter. Dans ce cas, le dispositif électrique de détection pourra signaler que la température critique a été atteinte, au moins en certaines zones du matériau. Suivant une autre variante, les fibres sensibles peuvent être prévues comme des éléments déformables sous l'effet de la chaleur, de façon à modifier l'impédance du circuit électrique de détection. Les fibres sensibles électriquement conductrices peuvent également définir des fibres de contrôle d'intégrité. Le dispositif électrique de détection auquel elles sont raccordées peut alors être adapté pour détecter une discontinuité électrique, laquelle étant significative de l'apparition d'une coupure, cassure, brûlure, etc.. dans certaines zones de la structure. Les fibres sensibles conductrices peuvent également définir des fibres de détection de contraintes mécaniques, selon le principe utilisé dans les jauges d'extensométrie : un conducteur métallique soumis à un effort de traction s'allonge et voit réduire sa section et augmenter sa résistance électrique. Dans un deuxième exemple de réalisation de l'invention, les fibres sensibles 5 peuvent être constituées de fibres optiques, et éventuellement faire saillie de la matrice 2, comme dans l'exemple illustré précédemment. De la même façon, les fibres, peuvent être raccordées à un dispositif de détection, dans ce cas un dispositif optique ou optoélectronique. De façon analogue à ce qui a été décrit précédemment, on comprend que de telles fibres peuvent constituer des fibres de détection thermique ou des fibres' de contrôle d'intégrité de la structure en matériau composite. Suivant un troisième exemple de réalisation de l'invention, les fibres sensibles 5 peuvent être des fibres creuses qui contiennent ou qui peuvent conduire un fluide de détection. Notamment, de telles fibres peuvent contenir un composé intermétallique hydruré qui, soumis à une élévation de température, libère du gaz, dont on peut simplement détecter l'élévation de pression, par exemple à l'aide d'un contact manométrique ou d'un capteur de pression agissant sur un circuit électronique d'alarme ou un circuit pneumatique d'ouverture de vanne de décharge. De telles fibres peuvent également contenir un fluide facilement détectable par un capteur, notamment capteur de composition gazeuse, ou par une couleur ou une odeur caractéristique qui se répandra en cas de rupture. Suivant la nature du fluide contenu ou véhiculé par les fibres, les fibres sensibles pourront être reliées ou non à un dispositif de détection de pression ou à un circuit de détection de gaz. Les fibres sensibles décrites précédemment sont intégrées à une ou plusieurs nappes de fibres, dans toute la masse de matériau composite constituant au moins partiellement la structure, ou uniquement dans les parties critiques. Différents types de fibres sensibles procurant différentes informations peuvent être logées dans les zones concernées par les informations correspondantes, et éventuellement être associées à des dispositifs de détection respectifs. L'invention permet, comme on l'a vu, d'assurer la détection de phénomènes physiques pouvant compromettre la tenue d'une structure composite, et ce sur l'essentiel de la structure, ou tout au moins sur toutes les zones critiques sensibles audit phénomène. Ainsi l'invention permet-elle d'accroître la sécurité de fonctionnement de ces matériaux, s'agissant notamment d'objets dont l'échauffement ou la rupture peut entraîner de graves conséquences sur la sécurité. L'invention s'applique donc plus particulièrement à la détection d'un échauffement, d'une amorce de rupture ou d'une rupture du matériau composite, dans des structures telles que des réservoirs contenant des fluides sous pression ou des éléments de structure de véhicule. D'autres applications préférées de l'invention ont été identifiées en préambule de cette demande. Enfin, il convient de signaler que la fabrication de nappes composites contenant des fibres sensibles, telles que décrites dans cette demande, est relativement simple à mettre en oeuvre, et n'entraîne pas de surcoût important. De telles nappes peuvent être pré-assemblées avant imprégnation ou assemblées au moment de l'imprégnation. REVENDICATIONS 1. Ensemble comprenant une structure composite comprenant une matrice (2) et une pluralité de fibres (3,5) noyées dans la matrice (2), caractérisé en ce qu'il comporte, associés à au moins une desdites fibres (5), des moyens de détection d'une information représentative d'une atteinte portée à l'intégrité de ladite fibre ou de ladite structure. 2. Ensemble suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent un fluide de détection. 3. Ensemble suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent un dispositif de détection de phénomène physique raccordé à ladite fibre. 4. Ensemble suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fibre (5) est électriquement conductrice et ledit dispositif est un dispositif de détection électrique. 5. Ensemble suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fibre (5) est une fibre optique et ledit dispositif est un dispositif de détection optique. 6. Ensemble suivant les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce que ladite fibre (5) est une fibre creuse contenant ou pouvant conduire ledit fluide de détection, et ledit dispositif est un dispositif de détection de pression ou un dispositif de détection de gaz.