Brevet FR2902803A1 — publié le 20071228

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la réalisation de pièces en matériau composite et plus particulièrement la réalisation de structures fibreuses de renfort pour de telles pièces. Un domaine d'application de l'invention est la réalisation de 10 pièces de structure en matériau composite à renfort fibreux et matrice résine, De telles pièces sont utilisées dans de très nombreux domaines, notamment dans le domaine aéronautique. La densification de la structure fibreuse de renfort par la matrice résine est réalisée par tout moyen connu, par exemple par moulage avec transfert de résine (procédé RTM 15 pour "Resin Transfer Moulding"). Un autre domaine d'application de l'invention est la réalisation de pièces en matériau composite thermostructural, c'est-àdire en un matériau ayant des propriétés mécaniques qui le rendent apte à constituer des éléments de structures et ayant la capacité de conserver ces 20 propriétés à des températures élevées. Des matériaux composites thermostructuraux sont typiquement les matériaux composites carbone/ carbone (C/C) ayant un renfort fibreux en carbone densifié par une matrice en carbone, et les matériaux composites à matrice céramique (CMC) ayant un renfort fibreux réfractaire (carbone ou céramique) densifié 25 par une matrice céramique. Des pièces en matériau composite thermostructural sont utilisées notamment dans les domaines aéronautique et spatial. La densification de la structure fibreuse de renfort par le matériau constitutif de la matrice peut être réalisée par infiltration chimique en phase gazeuse (ou CVI pour "Chemical Vapor Infiltration") ou 30 par voie liquide, comme cela est bit, ; nnu en soi. La densification pin . une cri nie' . me inc résine, précurseur étant par traitement thermique. 35 2 Pour des pièces en matériau composite présentant une certaine épaisseur, il est connu de réaliser la structure fibreuse de renfort en plusieurs couches superposées liées entre elles pour éviter une décohésion entre couches. Ainsi, il a été proposé, par exemple dans les documents US 4 848 414 et EP 1 526 285, de réaliser une structure de renfort par tissage tridimensionnel avec des fils de chaîne qui lient des fils de trame appartenant à plusieurs couches adjacentes de fils de trame. Divers aspects doivent être pris en considération par la réalisation de telles structures fibreuses de renfort pour des pièces en matériau composite. Ainsi, le tissage tridimensionnel doit assurer une liaison entre couches satisfaisante pour s'opposer au délaminage, mais sans affecter la tenue mécanique dans des directions parallèles aux plans des couches. En outre, dans le cas de pièces en matériau composite devant présenter un état de surface lisse, il est souhaitable d'éviter que la structure fibreuse de renfort présente des irrégularités de surface importantes qui nécessitent des opérations supplémentaires, telles qu'un arasage de la surface, par exemple après un premier stade de densification, ou stade de consolidation, pour éliminer de telles irrégularités, ou un ajout en surface d'une state bidimensionnelle, par exemple une strate de tissu, avant la fin de la densification. Objet et résumé de l'invention L'invention a pour but de fournir une structure fibreuse de renfort formée au moins en partie par tissage tridimensionnel et présentant un bon compromis entre les contraintes ci-dessus. Ce but est atteint selon l'invention du fait que le tissage tridimensionnel est un tissage multicouches à armure de type satin, ou 30 tissage rnultispatin avec chaque fil de chai,,_ ss isissant alternative- ont un emièr :. rf earise fil de -t coud; adjacen - à la i un nombre entier au E1iis cigale à 3. De préférence, n est au moins égal à 5. 35 L'utilisation d'une armure multi-satin présente plusieurs avantages. 3 Tout d'abord, dans le sens chaîne, on conserve la tenue mécanique d'une armure satin tout en réalisant une liaison entre couches de fils de trame. En outre, une armure de type satin permet au tissu de conserver un bon degré de déformabilité pour s'adapter à des formes non planes. Dans le cas d'une structure fibreuse ayant une partie interne, ou coeur, et une partie externe, ou peau, adjacente à une surface extérieure de la structure fibreuse, le coeur est avantageusement au moins 10 partiellement formé par un tel tissage multi-satin. La peau peut alors être formée par tissage bidimensionnel. Le tissage en peau peut être à armure de type satin, contribuant à donner un aspect de surface lisse, et le pas de satin en peau est alors avantageusement égal au pas de satin dans une partie du coeur de la 15 structure fibreuse adjacente à la peau. En variante, le tissage en peau peut être à armure toile offrant un accès aisé aux gaz à travers la peau dans le cas d'une densification CVI. On pourra faire évoluer l'armure mufti-satin dans le coeur de la structure fibreuse, par exemple en formant deux parties du coeur par des 20 tissages multi-satin de pas respectifs différents. Selon une particularité de la structure fibreuse, le coeur est tissé avec des fils formés de fibres discontinues et la peau est tissée avec des fils formés de filaments continus. L'utilisation de fils formés de fibres discontinues à coeur permet, par un foisonnement de ces fibres, de 25 fractionner la porosité à coeur tandis que l'utilisation de fils formés de filaments continus en peau favorise l'accès aux gaz lors d'une densification CVI et un état de surface exempt d'irrégularités importantes. Une réduction de gradient de densification CVI entre coeur et peau peut ainsi être obtenue. 30 Selon une autt: articularit a structure fibreuse, l'une au pari{ ,t- de la en sens entre coeur et peau d r; à favcris r i accès aux gaz v _. l coeur de la structure fibreuse lors d'une densification CI. 35 Selon encore une autre particularité de la structure fibreuse, les parties différentes de la structure fibreuse sont réalisées avec des fils de 4 natures chimiques différentes, notamment afin de leur conférer des propriétés particulières souhaitées, notamment de résistance à l'oxydation ou à l'usure. Selon encore une autre particularité de la structure fibreuse, les fils utilisés pour le tissage ont un titre qui varie au sein de la structure fibreuse. Le titre des fils pourra notamment être décroissant entre une partie de coeur et une partie de peau de la structure fibreuse, afin de faciliter l'accès aux gaz à coeur lors d'une densification CVI. Brève description des dessins Des modes de réalisation de l'invention seront décrits cl-après, à titre indicatif mais non limitatif. II sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 illustre une armure de tissage tridimensionnel connue de type interlock ; la figure 2 illustre un plan d'armure d'une structure fibreuse obtenue par tissage multicouches de type satin ; la figure 3 illustre un plan d'armure d'une structure fibreuse obtenue par tissage multicouches avec armure multi-satin selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 4A à 4P illustrent des plans successifs d'armure d'une structure fibreuse selon un autre mode de réalisation de l'invention avec tissage multisatin à coeur et tissage bidimensionnel à armure satin en peau ; et les figures 5A à 5L illustrent des plans successifs d'armure d'une structure fibreuse selon un autre mode de réalisation de l'invention avec tissage combinant deux armures multisatin différentes à coeur et un tissage bidimensionnel à armure toile en peau. n Par 2un mode de tissage . wt t l , _ F` et rie am côté à l'autre de fils d'une seule couche ûe tra . Par "tissage tridimensionnel" ou "tissage 3D", on entend ici un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaîne lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame. Par "tissage interlock", on entend ici une armure de tissage 3D dont chaque couche de chaîne lie plusieurs couches de trames avec tous les fils de la même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. La figure 1 est une vue d'un de 8 plans d'une armure interlock à 7 couches de chaîne et 8 couches de trame. Dans l'armure interlock illustrée, une couche de trame T est formée de deux demi- couches de trame t adjacentes décalées l'une de l'autre dans le sens chaîne. On a donc 16 demi-couches de trame positionnées en quinconce, chaque chaîne liant 3 couches de trame. On pourrait aussi adopter une position des fils de trame non en quinconce, les fils de trame de deux couches adjacentes étant alignés sur des mêmes colonnes. Par "tissage multicouches", on désigne ici un tissage 3D avec plusieurs couches de trame dont l'armure de base de chaque couche est équivalente à une armure de tissu 2D classique, mais avec certains points de l'armure qui lient les couches de trame entre elles. Par "contexture", on désigne ici le nombre de fils par unité de longueur en sens trame et en sens chaîne, une contexture faible (ou lâche) signifiant un moins grand nombre de fils, donc un tissu plus ouvert par opposition avec une contexture élevée (ou serrée). Dans tout le texte et sur tous les dessins, il est mentionné et représenté, par convention et souci de commodité, que ce sont les fils de chaîne qui sont déviés de leurs trajets pour saisir des fils de trame d'une couche de trame ou de plusieurs couches de trame. Toutefois, une inversion des râles entre chaîne et trame est possible et doit être considérée comme couverte par les revendications. Description déteiliée de modes dé, réaliseio dE préforme de pièces c ; t{ omposite, étant obtenues par densification des structures fibreuses par une matrice. La matrice peut être une résine, dans le cas de matériaux composites utilisés à température relativement peu élevée, typiquement jusqu'à 6 300 C, ou un matériau réfractaire tel que carbone ou céramique dans le cas de composites thermostructuraux. La réalisation de la structure fibreuse par tissage 3D permet d'obtenir une liaison entre les couches, donc d'avoir une bonne tenue mécanique de la structure fibreuse et de la pièce en matériau composite obtenue, en une seule opération textile. La figure 2 montre un plan d'armure de tissage 3D multicouches de type satin liant des couches de fils de trame T (les fils de trame n'étant pas disposés en quinconce). IO Chaque fil de chaîne est périodiquement dévié de son trajet au-dessus d'une couche de trame pour, alternativement, saisir un fil de trame de cette couche de trame et saisir ensemble un fil de trame de cette couche de trame et le fil de trame situé dans la même colonne de la couche de trame adjacente inférieure. On a ainsi formation de points de 15 satin simples classiques PSI alternativement avec des points de satin doubles PS2 liant les fils de 2 couches de trame adjacentes, donc assurant une liaison entre couches de trame. Toutefois, les points de satin PS2 constituent des points singuliers avec croisement de fils de chaîne qui se traduisent par des 20 irrégularités importantes de la structure fibreuse susceptibles d'affecter la tenue mécanique d'une pièce obtenue par densification d'une telle structure fibreuse. Cet inconvénient est particulièrement notable lorsque les fils utilisés présentent une raideur assez forte, par exemple des fils en céramique ou de titre élevé. En effet, il est alors malaisé d'imposer une 25 déformation au niveau des points PS2 qui ne perturbe pas l'arrangement des fils de trame. C'est pourquoi l'invention vise la réalisation d'un tissage 3D multicouches avec une armure de type satin particulière ou armure multi-satin ne présentant pas de tels inconvénients. 30 Un plan d'armure "mufti-satin" conforme à l'invention est de ci aîné ativ dans l'autre peur saisir alternativement e: fil de trame mur n une première couche de fils de trame et un fil de trame sur n d'une deuxième 35 couche de fils de trame adjacente à la première, n étant un nombre entier supérieur à 2, réalisant ainsi une liaison entre ces deux couches. 7 Dans une telle armure mufti-satin, le "pas" désigne ici l'intervalle entre deux points de satin PS d'un même fil de chaîne mesuré en nombre de colonnes de trame. Dans le cas de la figure 3, le pas est alternativement de 6 et de 10, donnant un pas moyen de 8, soit n/2. Les fils saisis dans la première couche de fils de trame et ceux saisis dans la deuxième couche de fils de trame par un même fil de chaîne sont situés dans des colonnes de fils de trame différentes de préférence non adjacentes pour éviter un trajet trop sinueux au fil de chaîne, source d'irrégularités. Aussi, le pas n est avantageusement au moins égal à 5 pour satisfaire plus facilement une telle condition. On notera qu'une liaison par un même fil de chaîne dans une armure multi-satin n'est pas limitée à deux couches de trame voisines mais peut s'étendre sur une profondeur de plus de deux couches de trame. Par rapport à une armure interlock connue telle que celle de la figure 1, l'armure multi-satin permet de conserver de bonnes propriétés mécaniques en sens chaîne. En outre, la structure fibreuse présente une déformabilité lui permettant de se conformer à des formes non planes. Dans le cas d'une structure fibreuse ayant une partie interne, ou coeur, et une partie externe, ou peau, adjacente à une surface extérieure de la structure fibreuse, la peau peut être réalisée par tissage avec une armure différente de celle du coeur, par exemple par tissage bidimensionnel avec armure de type toile, satin ou sergé afin de fermer le tissage en surface, une armure de type satin procurant en outre un aspect de surface lisse. Une variation d'armure de tissage en peau peut être réalisée à la surface extérieure de la structure fibreuse pour conférer des propriétés particulières voulues par exemple en passant d'une armure de type toile privilégiant une liaison serrée à une armure de type satin r ,filégiant un état de surface fisse. der r it eu -sa 1m.q:ue en phase vapeur (C V1) avec ut gradient de densificati a aussi faible que possible entre le coeur de la structure fibreuse et la peau de celle-ci. A cet effet, le tissage du coeur peut être réalisé avec des fils formés de fibres discontinues pour favoriser le fractionnement de la porosité par foisonnement des fibres et l'accès de la phase gazeuse réactionnelle. On pourra utiliser des fils formés de fibres discontinues sensiblement sans torsion, la cohésion étant assurée par un fil de guipage. Le fil de guipage est en un matériau fugace ou fugitif qui est éliminé après tissage, autorisant un fractionnement de la porosité de la structure tissée et favorisent une réduction du gradient de densification par CVI. De tels fils formés de fibres discontinues avec fil de guipage fugace ou fugitif sont décrits dans le document EP 0 489 637. Il est avantageux encore de favoriser l'obtention, après densification, d'un état de surface exempt d'irrégularités, c'est--dire un bon état de finition pour éviter ou limiter des opérations de finition par usinage. A cet effet, la peau peut être réalisée par tissage avec des fils formés de filaments continus pour éviter le foisonnement de fibres discontinues. Encore dans le but de favoriser l'accès de la phase gazeuse réactionnelle, la peau peut être réalisée avec une contexture en chaîne 20 et/ou en trame plus faible que dans le coeur. II peut être souhaitable de faire varier le titre des fils utilisés pour le tissage de la structure fibreuse, en particulier en utilisant des fils de titres différents entre coeur et peau et/ou entre chaîne et trame. Un titre de fils décroissant entre coeur et peau favorise l'accès à coeur du gaz 25 à travers la peau dans le cas de densification CVI. Les titres des fils peuvent aussi être choisis pour obtenir un rapport dans des limites souhaitées entre le taux volumique de fibres en chaîne et le taux volumique de fibres en trame. Il est possible aussi de faire varier l'armure de tissage mufti-30 satin dans le coeur, en tissant différentes parties du coeur avec des arr{ :. o- l n t d j aectifs r 4 i! t rmure d{' le long de la surface_ La nature chimique des fils est choisie en fonction de 35 l'application envisagée. Il peut être souhaitable d'utiliser des fils de natures chimiques différentes entre différentes parties de la structure _i et_ 9 fibreuse, notamment entre la partie de coeur et la partie de peau pour conférer des propriétés particulières à la pièce en matériau composite obtenue, notamment en termes de résistance à l'oxydation ou à l'usure. Ainsi, dans le cas d'une pièce en matériau composite thermostructural à renfort de fibres réfractaires, on pourra utiliser une structure fibreuse avec des fibres carbone en coeur et des fibres en céramique, par exemple en carbure de silicium (SiC), en peau afin d'accroître la résistance à l'usure de la pièce composite au niveau de cette partie de peau. Deux exemples de réalisation d'une structure fibreuse conformément à l'invention seront maintenant décrits. Dans tous ces exemples, le tissage est réalisé sur un métier de type Jacquard. Exemple 1, Les figures 4A à 4P représentent des plans successifs d'une armure de structure fibreuse 10 obtenue par tissage 3D avec tissage tridimensionnel multi-satin à coeur 12 et tissage bidimensionnel en peau 14, 16. Le tissage à coeur est à armure mufti-satin avec un pas de 8 et le tissage en peau est à armure satin également avec un pas de 8. On constate que les points de satin forment des motifs réguliers et répartis dans les plans d'armure successifs, sans alignement marqué en colonne ou en profondeur (d'un plan d'armure à l'autre). La structure fibreuse 10 comprend 5 couches de fils de trame Tl à T5. Dans le coeur 12 situé entre des peaux opposées 14, 16, le tissage multi-satin est réalisé avec des fils formés de fibres de carbone discontinues maintenues par un fil de guipage en matériau fugitif, comme décrit dans EP 0 489 637, et avec une contexture 10/10 par couche (10 fils par cm en trame et en chaîne). Le fil de guipage est par exemple en un poi mere soluble tel qu'us alcool polyt,lnylique ou un n1/mère carbone continus et avec une contexture 10/10. La liaison par tissage à 35 armure satin ne concerne que les couches T1 et T5 de fils de trame. On carbon tes, tel ris l3_ , 16, le fils formés de filaments de 10 notera que le tissage muai-satin du cœur s'étend jusqu'aux couches de trame des peaux afin de lier ces couches à celles du coeur. Bien entendu, les fils utilisés pour le tissage à coeur et en peau pourraient en variante être tous du même type, c'est-à-dire tous formés de fibres discontinues ou tous formés de filaments continus. Exemple 2 Les figures 5A à 5L représentent des plans successifs d'une structure 20 obtenue par tissage 3D multicouches comprenant 12 couches 10 de fils de trame U1 à U12. Le tableau ci-dessous résume les armures et contextures du tissage 3D utilisé, la variation d'armure de la structure 20 étant symétrique par rapport à un plan médian avec ses peaux 24, 26 situées de part et d'autre du coeur 22. Certaines couches de trame ont un nombre de fils de trame différent de celui d'autres couches, traduisant une 15 variation de contexture en trame. Couches de fils de Armure tissage Contexture trame multicouche U1 Toile 6,6/6,6 U2 Mufti-toile 6,6/6,6 U3 Mufti-satin de 5 8/8 U4 Mufti-satin de 5 8/8 U5 Mufti-satin de 6 10/10 U6 Mufti-satin de 6 10/10 U7 Mufti-satin de 6 10/10 U8 Mufti-satin de 6 10 U9 Mufti-satin de 5 8/8 f U10 Mufti-satin de 5 j 8/8 U11 Mufti-toile 6,6/6,6 U12 6,6/66 Dans cet exemple, l'armure du tissage mufti ea [n et fa contexture varient entre coeur et peaux. On notera que la r ï tion 20 d'armure et de contexture est dune certaine façon progressive en adoptant un satin de 5 pour les trames U3, U4 et U9, U10, entre le satin 11 de 6 des couches U5 à U8 et la toile des peaux, ceci afin d'éviter une discontinuité trop franche entre coeur et peau. On pourrait, en variante, utiliser une armure de type sergé pour le tissage multicouches des peaux. REVENDICATIONS 1. Structure fibreuse de renfort pour pièce en matériau composite, formée par un tissage tridimensionnel, dans laquelle le tissage tridimensionnel est un tissage multicouches à armure de type satin, ou tissage multi-satin avec chaque fil de chaîne saisissant alternativement un fil de trame sur n d'une première couche de fils de trame et un fil de trame sur n d'une deuxième couche de fils de trame adjacente à la première, le nombre n étant un nombre entier au moins égale à 3. 2, Structure fibreuse selon la revendication 1, dans laquelle n est au moins égal à 5. 3. Structure fibreuse selon l'une quelconque des 15 revendications 1 et 2, ayant une partie interne, ou coeur, et une partie externe, ou peau, adjacente à une surface extérieure de la structure fibreuse, dans laquelle le coeur est au moins partiellement formé par ledit tissage multi-satin. 20 4. Structure fibreuse selon la revendication 3, dans laquelle la peau est formée par tissage bidimensionnel. 5. Structure fibreuse selon la revendication 4, dans laquelle le tissage en peau est à armure de type satin, 6. Structure fibreuse selon la revendication 5, dans laquelle le pas de satin en peau est égal au pas de satin dans une partie du coeur adjacente à la peau. 7. Structure fibreuse selon V,u e re - Ë dans laquelle - #ui _ ff deur r~~P e e saur eifféients, 35 8, Structure fibreuse selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans laquelle le coeur est au moins partiellement 10 25 30tissé avec des fils formés de fibres discontinues et la peau est tissée avec des fils formés de filaments continus. 9. Structure fibreuse selon l'une des revendications 1 à 8, 5 dans laquelle l'une au moins des contextures en chaîne et en trame varie dans l'épaisseur de la structure fibreuse. 10. Structure fibreuse selon la revendication 9, dans laquelle la variation de contexture est dans le sens décroissant entre coeur et peau. 11. Structure fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle des parties différentes de la structure fibreuse sont réalisées avec des fils de natures chimiques différentes. 15 12. Structure fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans laquelle les fils utilisés pour le tissage ont un titre qui varie au sein de la structure fibreuse. 13. Pièce en matériau composite ayant une structure fibreuse 20 de renfort selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 densifiée par une matrice. 14. Pièce selon la revendication 13 en matériau composite thermostructural ayant une matrice au moins partiellement formée par 25 infiltration chimique en phase gazeuse. 10