Brevet FR2866905A1 — publié le 20050902

Tissu préimprégné par deux matrices thermodurcissables distinctes. La présente invention concerne un tissu préimprégné pour la fabrication de structures composites sandwichs à hautes performances mécaniques et environnementales. L'invention trouve une application particulière dans le domaine de la conception et de la fabrication des structures composites d'aéronefs qui sont soumises à des efforts mécaniques importants et à des conditions environnementales critiques. Les structures composites sandwichs ont été introduites dans l'industrie aéronautique en raison de leur légèreté ce qui permet de réduire la masse des structures par rapport à des réalisations en matériaux métalliques. De plus, ces structures composites présentent l'avantage d'éviter tout problème de corrosion. L'introduction en particulier de composites constitués de tissus préimprégnés à base de fibres de carbone et de matrices thermodurcissables mis en oeuvre par moulage dans un autoclave ou par sac à vide dans une étuve, a donné satisfaction, en particulier dans le domaine aéronautique (fuselage, empennage, dérive, capotage, pale, hélice, transmission, suspension...). En effet, les caractéristiques mécaniques (rigidité, résistance) obtenues avec ces matériaux composites en statique et en fatigue se sont révélées au moins équivalentes et bien souvent supérieures à celles obtenues avec des matériaux métalliques (alliages légers, titane, aciers...) avec une économie de poids pouvant atteindre jusqu'à 30 % dans certains cas. D'une façon générale, un tissu préimprégné est constitué d'une matrice thermodurcissable non polymérisée, imprégnant avec un taux massique d'imprégnation déterminé (en général de 25 à 50 2866905 2 %), un renfort. Les principaux tissus préimprégnés couramment utilisés dans l'industrie aéronautique sont constitués par des renforts textiles à base de fibres de verre, de carbone ou d'aramide, ainsi que par des résines époxyde, phénolique ou bismaléimide. Ces tissus préimprégnés sont stockés à des températures avoisinant les moins dix huit degrés Celsius afin de ne pas initier la réaction de polymérisation exothermique de la matrice d'imprégnation. Ils sont découpés et déposés manuellement ou automatiquement à température ambiante. L'opération de drapage de la structure composite consiste à juxtaposer différents plis de tissus préimprégnés suivant un séquencement et des orientations bien déterminés. Les renforts textiles des différents plis de tissus préimprégnés sont orientés préférentiellement suivant différentes directions (0 , +! 45 , 90 ...). Ces directions sont définies essentiellement en fonction de la nature des sollicitations mécaniques imposées à la structure composite (traction, flexion, cisaillement ou autres) ainsi que l'orientation de ces dernières. Lorsque les différents plis de tissus préimprégnés sont drapés, une mise en oeuvre par moulage dans un autoclave ou par moulage avec un sac à vide dans une étuve est réalisée afin d'obtenir la pièce composite finale. Le procédé autoclave est utilisé pour fabriquer des pièces structurales de haute qualité ayant un taux volumique de fibres élevé, supérieur ou égal à 55 %, et un taux de porosité faible, inférieur à 3%. L'autoclave est un réservoir sous pression dans lequel les conditions de cuisson, polymérisation ou réticulation de la matrice thermodurcissable d'imprégnation, sont optimales en contrôlant le vide, la pression, la rampe de montée en température et la température de cuisson. Le moulage à l'autoclave des tissus préimprégnés permet en particulier de mouler des pièces composites épaisses de formes complexes. Le procédé sac à vide convient plus particulièrement aux pièces composites de faible épaisseur et de grandes dimensions ne nécessitant pas un taux volumique de fibre élevé. Dans ce cas, la pièce composite est polymérisée dans une étuve, sous vide uniquement après un cycle de cuisson relativement court. Une structure composite sandwich est composée de fines peaux, pourvues de plusieurs plis de tissus préimprégnés, positionnées de part et d'autre d'une âme, en un matériau à base de mousses ou conformé par exemple en nid d'abeille. Les contraintes de flexion, de traction et de compression sont supportées par les peaux tandis que les efforts de cisaillement sont supportés par l'âme. Ce type d'architecture permet en particulier de réduire de façon significative la masse de la pièce finale tout en conservant un niveau de performances mécaniques important. La rigidité ainsi que la résistance en flexion de ce type de construction sandwich sont particulièrement élevées. Toutefois, un des modes de ruine mécanique prépondérant inhérent à ce concept structural est le décollement des peaux avec l'âme en mousse ou en nid d'abeille. L'adhérence des peaux avec l'âme est un facteur déterminant de l'intégrité mécanique structurale de la pièce. Dans le processus de dimensionnement d'une structure composite sandwich, un essai mécanique spécifique de pelage est notamment réalisé pour caractériser la qualité de l'interface et de l'adhérence entre les peaux et l'âme. Parmi l'ensemble des tissus préimprégnés utilisés dans la construction de structures composites de type sandwichs, on 30 distingue deux catégories distinctes. En effet, l'art antérieur nous enseigne tout d'abord qu'un tissu préimprégné comporte une unique matrice d'imprégnation ayant des propriétés physico-chimiques et rhéologiques généralement isotropes disposé sur les faces supérieures et inférieures d'un renfort, cette matrice étant non auto-adhésive. Dans le cas particulier des structures composites sandwichs, il est nécessaire de rajouter un film d'adhésif entre chaque face de l'âme et chaque pli de tissu préimprégné en contact avec ces faces, afin d'obtenir une interface de bonne qualité. Ce film d'adhésif est en général onéreux, et nécessite une étape de mise en oeuvre préalable ce qui augmente le temps de fabrication. Par ailleurs, de part sa forte masse surfacique qui peut varier pour des adhésifs de type époxyde de 300 à 450 g/m2, ce film de colle complémentaire alourdit parfois de façon importante (jusqu'à 30 %) la structure composite sandwich finale. Ces inconvénients d'augmentation de masse et de coût sont notamment prononcés pour des peaux de faibles épaisseurs, c'est à dire possédant moins d'une dizaine de plis de tissus préimprégnés. Pour remédier à ce type de problème, des tissus préimprégnés comportant des matrices auto-adhésives, sur ses faces supérieures et inférieures, ont été formulés et sont couramment utilisés pour la production de pièces composites sandwichs. Toutefois, ceux-ci restent assez onéreux de part les constituants spécifiques introduits dans leur formulation pour obtenir le caractère auto-adhésif. Ces tissus préimprégnés auto-adhésifs sont surtout utilisés pour des peaux de faible épaisseur, constituées en général de moins d'une dizaine de plis de tissus préimprégnés. L'auto-adhésivité résulte de l'adjonction d'un ou de plusieurs plastifiants qui se combinent avec les différents monomères et durcisseurs du prépolymère thermodurcissable non réticulé de la matrice. Ils permettent à cette matrice d'avoir une viscosité et des propriétés rhéologiques favorisant l'accrochage du tissu préimprégné avec l'âme, lorsque la réaction de polymérisation débute. Ces tissus préimprégnés constitués de matrice auto-adhésive intégrant de tels plastifiants permettent donc d'obtenir des structures composites sandwichs dépourvues de film d'adhésif à l'interface entre les peaux et l'âme, en mousse ou en nid d'abeille, réduisant ainsi leur masse. Malheureusement, ces plastifiants en réduisant notamment la densité de réticulation du réseau tridimensionnel engendrent un abaissement de la température de transition vitreuse ainsi qu'une baisse des performances mécaniques en température de la structure composite. La température de transition vitreuse d'un composite constitue une donnée essentielle pour le dimensionnement de celui-ci vis à vis de son environnement. En effet, lorsque la température extérieure devient supérieure à la température de transition vitreuse de la matrice réticulée, alors la rigidité du composite s'effondre rapidement. La présente invention a pour objet un tissu préimprégné permettant d'obtenir une structure composite organique sandwich de faible épaisseur présentant d'excellentes propriétés mécaniques en température et à l'interface entre les peaux et l'âme. Elle permet également de générer des gains de masse et de coût de production importants par rapport aux différentes solutions technologiques de l'art antérieur, dans la mesure où il n'est plus nécessaire d'interposer un film de colle spécifique entre le premier pli de tissu préimprégné et chaque face de l'âme en mousse ou en nid d'abeille. Ces avantages sont particulièrement déterminants pour la conception et la fabrication de pièces composites d'aéronefs et notamment d'hélicoptères ou les exigences importantes de légèreté, de résistance à l'environnement et à la température, ainsi que de performances mécaniques statique et de fatigue sont requises. Selon l'invention, un tissu préimprégné, désigné tissu principal préimprégné par la suite par raison de commodité, est pourvu d'un renfort comportant une face inférieure imprégné par une première matrice thermodurcissable et une face supérieure imprégné par une deuxième matrice thermodurcissable. De plus, ce tissu principal préimprégné est remarquable en ce que les première et deuxième matrices thermodurcissables ont des propriétés physico-chimiques et rhéologiques différentes. Ce tissu principal préimprégné est donc constitué de renforts, notamment des fibres de carbone, de verre ou d'aramide, imprégnés par deux matrices organiques thermodurcissables de type époxyde par exemple, ayant des propriétés physico-chimiques et rhéologiques différentes. Chaque matrice imprègne le renfort au travers de son épaisseur et est disposée sur l'une des faces de celui-ci. Les valeurs de température de début de gélification, de cinétique réactionnelle (vitesse de polymérisation, densité de pontages tridimensionnels...), de chaleur spécifique et d'enthalpie de polymérisation, de viscosité en fonction du temps et de la température différent notamment entre les deux matrices. En outre, la première matrice organique thermodurcissable présente avantageusement un caractère auto-adhésif et la deuxième matrice un caractère non auto-adhésif. Un second objet de l'invention réside dans une structure 30 composite sandwich pourvue d'une âme en mousse ou en nid d'abeille agencé entre une peau supérieure et une peau inférieure. Cette structure composite sandwich est remarquable car un premier pli de tissu principal préimprégné est agencé entre l'âme et la peau supérieure, un second pli de tissu principal préimprégné est agencé entre l'âme et la peau inférieure, la face inférieure auto-adhésive des tissus principaux préimprégnés étant en contact avec l'âme. Dans cette configuration, la face inférieure auto-adhésive du premier et du second pli de tissu principal préimprégnés est disposée sur la surface de l'âme à couvrir permettant ainsi d'optimiser l'interface mécanique et physico-chimique entre les peaux et l'âme en s'affranchissant de tout film de colle lourd et onéreux. L'adhérence entre les peaux et l'âme, ainsi que la résistance au pelage, est élevée dans la mesure où le ménisque d'accrochage entre les cellules hexagonales du nid d'abeille, par exemple, et du pli de tissu principal préimprégné est amélioré par la présence d'un ou de plusieurs plastifiants. Par ailleurs, la face supérieure non auto-adhésive du premier ou du second pli de tissu principal préimprégné est en contact avec un tissu secondaire préimprégné non auto-adhésif faisant partie de la peau inférieure ou supérieure. Cela permet ainsi d'obtenir une bonne compatibilité chimique et des performances mécaniques en température élevées. De plus, la deuxième matrice non auto-adhésive du premier et du second pli de tissu principal préimprégnés est de façon avantageuse identique à celle des tissus secondaires préimprégnés non auto-adhésifs qui constituent les peaux de la structure sandwich. Dans ces conditions, la température de transition vitreuse et 30 les performances mécaniques en température de la structure 8 composite sandwich ne sont plus altérées. La structure composite sandwich ainsi constituée par l'interposition d'un pli de tissu principal préimprégné entre l'âme et les peaux possède d'excellentes propriétés mécaniques en température, notamment en flexion, en cisaillement, en traction et en compression, ainsi qu'une masse et des coûts de fabrication réduits. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description, qui suit avec un exemple de 10 réalisation en référence aux figures qui représentent: la figure 1, une coupe d'un tissu préimprégné selon l'invention, - la figure 2, un schéma du procédé de fabrication d'un tissu préimprégné selon l'invention, - la figure 3, une vue isométrique d'un rouleau de tissu préimprégné selon l'invention, et la figure 4, une vue d'une structure composite sandwich selon l'invention. La figure 1 présente une coupe d'un tissu principal préimprégné 1 selon l'invention permettant d'obtenir des structures composites sandwichs à hautes performances mécaniques et environnementales, à faibles coûts de production et de masses réduites. Ce tissu principal préimprégné 1 comporte un renfort 2 à base de fibres de verre, de carbone ou d'aramide par exemple. De plus, ce renfort 2 est muni d'une première 5 et d'une deuxième 6 matrices thermodurcissables, c'est à dire qui réticule sous l'action de la chaleur, ayant des propriétés physico-chimiques et rhéologiques différentes. Les valeurs de température de début de gélification, de cinétique réactionnelle (vitesse de polymérisation, densité de pontages tridimensionnels...), de chaleur spécifique et d'enthalpie de polymérisation, de viscosité en fonction du temps et de la température différent notamment entre les première 5 et deuxième 6 matrices thermodurcissables. Les matrices de type résines époxyde, phénolique, bismaléimide ou polyimide constituent par exemple les matrices couramment utilisées dans l'industrie aéronautique. Plus précisément, la première matrice 5, agencée sur la face inférieure F' du renfort 2, présente avantageusement un caractère auto-adhésif grâce à d'introduction d'un ou plusieurs plastifiants. A contrario, la deuxième matrice 6, agencée sur la face supérieure F du renfort 2, est du type non auto-adhésif. La figure 2 présente un schéma du procédé de fabrication d'un tissu principal préimprégné 1 selon l'invention. Ce tissu principal préimprégné 1 est constitué d'une première 5 et d'une deuxième 6 matrices de formulations différentes. Sa fabrication peut être réalisée par l'intermédiaire du procédé dénommé hotmelt par l'homme du métier selon l'appellation anglaise. La première matrice 5 auto-adhésive et la deuxième matrice 6 non autoadhésive sont déposées séparément sous forme de film sur des rouleaux lamineurs 22. Tout d'abord, ces première 5 et deuxième 6 matrices sont déroulées de part et d'autre du renfort 2 en étant respectivement agencées sur les faces inférieure F' et supérieure F de ce renfort 2. L'ensemble ainsi constitué est alors chauffé, par un organe 21, à une température inférieure à la température correspondant au début de la réticulation de l'une ou l'autre des matrices. Cette phase de chauffage a pour effet de faire baisser la viscosité des première 5 et deuxième 6 matrices sans provoquer le début de la réaction de polymérisation. Ensuite, au travers de rouleaux de calandrage 20, les première 5 et deuxième 6 matrices, calibrées en épaisseur, pénètrent au coeur du renfort et imprègnent respectivement les faces inférieure F' et supérieure F du renfort 2. Différents réglages de température et d'épaisseur de calandrage peuvent être effectués afin de mettre en oeuvre plusieurs types de matrices thermodurcissables (époxyde...). Les paramètres primordiaux à contrôler pour la fabrication du tissu principal préimprégné 1 sont le grammage, c'est à dire la masse par unité de surface, du renfort 2 et le taux massique d'imprégnation des première 5 et deuxième 6 matrices. A l'issue de cette opération, un tissu séparateur 11 est agencé sur le tissu principal préimprégné 1 avant que ce dernier ne soit enroulé autour d'un rouleau A. La figure 3 présente une vue isométrique d'un rouleau A de tissu principal préimprégné 1 selon l'invention. Le tissu principal préimprégné 1 est inséré entre deux séparateurs Il de papier siliconé et enroulé autour d'un axe pour former une bobine qui sera stockée en chambre froide afin de ne pas déclencher la cinétique réactionnelle de polymérisation des matrices. La figure 4 présente une structure composite sandwich S selon l'invention dont les caractéristiques mécaniques en température, notamment l'adhérence de peaux 4,4' avec l'âme 3, et les coûts de production sont optimisés par l'interposition d'un premier 1 et d'un deuxième 1' tissu principal préimprégné. L'âme 3 de cette structure composite sandwich est constituée d'un élément conformé en nid d'abeille. Les peaux en matériaux composites supérieure 4 et inférieure 4' sont composées par le drapage de plusieurs tissus secondaires comportant une seule matrice d'imprégnation non auto-adhésive. Les renforts de ces tissus secondaires sont orientés préférentiellement suivant différentes directions (0 , +1 45 , 90 ...). Ces directions sont définies essentiellement en fonction de la nature des sollicitations mécaniques (traction, flexion, cisaillement...) imposées à la pièce composite et de l'orientation de ces dernières. Les tissus principaux préimprégnés 1,1' constituent un demi produit à draper respectivement sur les faces supérieure 3' et inférieure 3" de l'âme 3. En effet, la première matrice thermodurcissable 5 de ces tissus principaux préimprégnés 1,1' est disposée contre l'âme 3. Lors du début de la réaction de polymérisation qui sera déclenchée dans un autoclave ou dans une étuve, la combinaison des composants de la matrice 5, à savoir un ou des plastifiants et des prépolymères thermodurcissables, va permettre d'obtenir une viscosité adéquate pour la formation de ménisques d'accrochage entre l'âme 3 et les tissus principaux préimprégnés 1,1'. L'adhérence entre les peaux 4,4' et l'âme 3 est ainsi optimisée sans film d'adhésif. En outre, la deuxième matrice thermodurcissable 6 de ces tissus principaux préimprégnés 1,1' est respectivement en contact avec les tissus secondaires non auto-adhésifs constitutifs des peaux supérieure 4 et inférieure 4'. De façon avantageuse, la matrice d'imprégnation de ces tissus secondaires est identique à la deuxième matrice thermodurcissable 6. Naturellement, la présente invention est sujette à de 30 nombreuses variations quant à sa mise en oeuvre. Bien qu'un mode de réalisations ait été décrit, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. II est bien sûr envisageable de remplacer un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. 13 REVENDICATIONS 1. Tissu principal préimprégné (1,1') pourvu d'un renfort (2) comportant une face inférieure (F') imprégnée par une première matrice thermodurcissable (5) et une face supérieure (F) imprégnée par une deuxième matrice thermodurcissable (6), caractérisé en ce que lesdites première (5) et deuxième (6) matrices thermodurcissables ont des propriétés physico-chimiques et rhéologiques différentes. 2. Tissu principal préimprégné suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première matrice (5) thermodurcissable présente un caractère auto-adhésif. 3. Tissu principal préimprégné suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite deuxième matrice (6) 15 thermodurcissable présente un caractère non auto-adhésif. 4. Structure composite sandwich (S) pourvue d'une âme en mousse ou en nid d'abeille (3) agencée entre une peau supérieure (4) et une peau inférieure (4'), caractérisée en ce qu'un premier pli d'un tissu principal préimprégné (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, est agencé entre l'âme (3) et la peau supérieure (4), et en ce qu'un second pli dudit d-e- tissu principal préimprégné (1') est agencé entre l'âme (3) et la peau inférieure (4'), la première matrice (5) thermodurcissable auto-adhésive desdits premier (1) et deuxième (1') plis de des- tissus principaux préimprégnés (1,1') étant en contact avec l'âme (3). 5. Structure composite sandwich selon la revendication 4, caractérisée en ce que la deuxième matrice (6) non auto-adhésive du premier (1) et du second (1') pli de tissu principal préimprégnés est identique à celle des tissus secondaires non auto-adhésifs des peaux supérieures (4) et inférieures (4').