Brevet FR2930477A1 — publié le 20091030

La présente invention a pour objet une peau amortissante de protection de pièces composites. Dans le domaine aéronautique, les matériaux composites tendent de plus en plus à remplacer les matériaux métalliques, car ils permettent un allègement des structures pour des performances mécaniques égales ou supérieures. Au cours de ces dernières années, un effort important a été fait pour prolonger la durée de vie des structures composites et anticiper leur endommagement. A cet effet on utilise des matériaux à haute performance tels que le carbone associé avec un liant. Toutefois, lors de l'impact d'un projectile sur une structure composite, l'énergie apportée par l'impact sur la pièce composite est dissipée par un endommagement microscopique de la pièce. Ceci se traduit par une microfissuration de la matrice, une rupture des fibres ou un délaminage des plis. Ainsi qu'il soit de forte ou de faible énergie, tout impact sur un composite est important car il peut entraîner l'apparition de délaminages internes qui peuvent ensuite se propager sous sollicitation cyclique et mener à la ruine de la pièce. Afin d'éviter les conséquences de tels chocs, les structures sont surdimensionnées de telle manière à anticiper les conséquences des chocs mécaniques. De ce fait l'avantage de légèreté des matériaux composites est considérablement réduit. La résistance aux impacts est une propriété que l'on peut ajuster suivant les exigences mécaniques et/ou économiques de l'application finale. Des matériaux composites à base de fibres en polymère d'aramide, qui présentent une excellente résistance aux impacts combinée à de bonnes performances mécaniques, ou de fibres de verres peuvent ainsi être utilisés pour améliorer la résistance à l'impact. La présente invention a pour but de proposer une peau amortissante de protection de pièces composites, permettant de remédier aux divers inconvénients précités. La peau amortissante selon l'invention a pour but de protéger des structures composites contre les impacts de projectile, des gravillons par exemple, tout en offrant les avantages suivants, une mise en œuvre aisée à la fabrication, même pour les pièces de formes complexes, une capacité d'absorption des chocs mécaniques significatifs sans altération du substrat, une qualification des pièces aux contraintes aéronautiques, une visualisation des effets de l'impact et une simplification des opérations de maintenance. La peau amortissante de protection de pièces composites selon l'invention, se caractérise essentiellement en ce qu'elle consiste en un matériau composite comprenant au moins deux couches superposées, à savoir une première couche constituée de la juxtaposition de sphères creuses destinée à être appliquée et fixée, directement ou indirectement, à la surface de la pièce à protéger, et une seconde couche, recouvrant la première, et constituée d'une paroi réalisée dans un matériau ayant des propriétés de déformation plastique. Selon une caractéristique additionnelle de la peau amortissante selon l'invention, la première couche est constituée de la superposition de plusieurs couches, chacune constituée de la juxtaposition de sphères creuses, chacune de ces couches de sphères creuses étant ou non séparées de la ou des autres couches de sphères creuses par une paroi intermédiaire. On notera que la première couche de la peau amortissante selon l'invention peut être fixée indirectement sur la pièce à protéger, par l'intermédiaire d'une troisième couche, sur un côté laquelle est fixée la première couche constituée de sphères creuses, tandis que son autre côté comporte des moyens de solidarisation permettant sa fixation, et donc celle de la peau amortissante, sur la surface à protéger, moyens de solidarisation qui peuvent être prévus réversibles si, par exemple, la fixation doit être temporaire. La première couche, directement ou indirectement collée sur le substrat à protéger, a pour but d'absorber l'énergie de l'impact en s'écrasant sans altérer le substrat. Cette couche facilite également la maîtrise de l'écartement entre le substrat et la seconde couche tout en permettant une mise en forme aisée quelle que soit protéger. Cette couchela géométrie de la pièce en composite à a une tenue mécanique suffisante pour assurer la cohésion entre les deux couches, mais est suffisamment fragile pour ne pas altérer le substrat lors de son écrasement sous l'effet d'un impact. Il est donc important de bien dimensionner les sphères creuses, l'épaisseur de leur coque par exemple, afin que celles- ci soient écrasées, au moins localement, lors de l'impact afin de protéger la structure composite sur laquelle la peau est fixée. Au-delà de la protection de la structure, la peau amortissante selon l'invention est un indicateur de l'état de la 15 structure composite après impact. En effet, il est possible d'ajuster la capacité d'absorption d'énergie de la peau amortissante en jouant sur l'épaisseur de l'âme en sphères creuses, sur les propriétés intrinsèques des sphères creuses ou sur le panachage des 20 diamètres des sphères creuses. Cette association des sphères creuses et de la seconde couche permet de créer une protection efficace des composites contre les impacts de gravillons, notamment. L'utilisation de sphères creuses présente de nombreux 25 avantages. Outre leur résistance à l'impact, les sphères creuses offrent une certaine légèreté. Elles peuvent être en métal ou en matières synthétiques (polymère, céramique ou élastomère par exemple) ou minérales. Les sphères creuses ont des diamètres variant de 30 préférence de 1 à 6 mm. Elles peuvent avoir toutes le même diamètre ou non. Le diamètre des sphères définit la distance entre la seconde couche et le substrat. Cette épaisseur contrôlée de la couche de sphères creuses est à ajuster suivant les applications pour garantir la non détérioration du substrat 35 lors des impacts. La gamme de diamètre des sphères creuses de 1 à 6 mm permet d'envisager l'utilisation de la peau amortissante dans des zones de forte courbure. Il est donc possible avec la peau selon l'invention d'épouser les formes les plus complexes. Un autre avantage de l'invention est sa faible sensibilité à l'angle d'impact. En effet, le volume de sphères creuses étant isotropes, ses performances en terme d'absorption d'énergie ne seront pas conditionnées par l'angle d'impact. Ce n'est pas le cas de solutions à base de nid d'abeille, qui ont tendance à s'effondrer pour des angles d'impact élevés. Les sphères creuses sont assemblées entre elles par collage en utilisant une résine structurale polymérisée par exemple, ou par tout autre technique qui permet de les lier. La quantité de résine enrobant les sphères est contrôlée et se présente dans un mode de réalisation sous forme de ménisque limité aux différents points de contact. Cette résine a une triple fonction ; elle permet non seulement d'assurer la cohésion des sphères creuses entre elles mais également la liaison entre les couches, la cohésion des sphères creuses avec le substrat et la seconde couche. Cette seconde couche est une couche de matériau ayant une grande capacité de déformation plastique. Sa déformation ou sa résistance au déchirement permet de transformer l'énergie du choc en déformation locale. Dans un mode de fabrication, cette seconde couche peut être réalisée en des tissus d'aramide stratifiés entre eux. Le nombre de couches de tissu, leur épaisseur et leur texture seront à choisir en fonction du type d'impact à subir. Une partie de l'énergie de l'impact est absorbée par la peau bi-composant sphères creuses/seconde couche, ce qui permet d'éviter le délaminage de la structure composite sur laquelle la peau amortissante est appliquée. Dans un mode de réalisation, cette seconde couche est en polymère d'aramide, type Kevlar par exemple. L'utilisation d'une couche à base d'Aramide permet la transformation de l'énergie de l'impact (phénomène local) en une déformation plastique de cette peau. Ainsi une partie du volume de sphères creuses est écrasé et la zone finalement affectée par l'impact est une zone plus étendue que la zone d'impact initiale. La peau amortissante selon l'invention facilite la maintenance des pièces après impact. En effet, l'expertise simple de la profondeur de la zone impactée permet de conclure à la dégradation ou non du substrat sous la zone d'impact. En effet, dans le cas d'un impact, la seconde couche est altérée, et cette rupture locale, ou la déformation plastique de la seconde couche, permet la visualisation nette de la zone d'impact. En outre, suite à l'impact, si la, ou les, couche de sphères creuses est endommagée, il est visuellement possible pour un opérateur de maintenance de vérifier si la structure composite est abîmée et éventuellement de remplacer, du moins localement, les sphères creuses et la seconde couche détruites lors de l'impact. Après impact, la maintenance de la pièce impactée est facilitée par la présence des deux couches de nature très 20 différentes. La première couche est fragile alors que la seconde possède une résistance mécanique significative. La seconde couche peut être partiellement enlevée grâce à un outil de type défonceuse, dont la fraise ne déborde pas plus que l'épaisseur 25 des sphères. On garantit ainsi que l'outil coupant électroportatif ne touche pas le substrat. Le grattage avec des outils manuels permet de supprimer les sphères creuses déformées, et le curetage ainsi réalisé permet la reconstruction de la paroi par collage des sphères 30 creuses manquantes et pose d'une seconde couche. La peau amortissante n'est pas forcément pénalisante en terme de masse du fait du faible poids des sphères creuses et de la couche extérieure. De façon plus générale et plus particulièrement pour des 35 applications dans le domaine aéronautique, la peau amortissante selon l'invention peut permettre le redimensionnement des pièces en composite, qu'elle protège. Ces pièces étant actuellement surdimensionnées afin de continuer à remplir leur fonction après impact. La présente invention peut être appliquée dans le domaine aéronautique, avantageusement pour absorber les impacts de projectiles notamment de gravillons, sur des pièces composites d'aéronefs, train d'atterrissage par exemple. Les caractéristiques de la peau amortissante selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente plusieurs modes de réalisation non limitatifs. Dans le dessin annexé : - la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une partie d'un objet recouvert d'une peau amortissante selon 15 l'invention. - la figure 2 représente une vue schématique en coupe d'une partie d'un objet recouvert d'une variante de la même peau amortissante. - la figure 3 représente une vue schématique en coupe 20 d'une partie d'un objet recouvert d'une autre variante de la même peau amortissante. - la figure 4 représente une vue schématique en coupe d'un détail agrandi de la même peau amortissante. - la figure 5 représente une vue schématique en coupe de 25 la même partie d'un objet recouvert d'une peau amortissante, lors d'un impact. Sur la figure 1, on peut voir un objet 1, une pièce en matériau composite par exemple, dont la paroi extérieure 10 est recouverte d'une peau amortissante 2 selon l'invention. 30 Cette peau amortissante 2 est constituée de deux couches, une première couche 3 constituée de la juxtaposition de sphères creuses 4, fixées à la paroi 10, et une seconde couche 5, qui recouvre la première, et constitué d'un matériau ayant des propriétés de déformation plastique. Sur la figure 2, on peut voir que selon une variante, première couche 3 est elle-même constituée de la superposition de deux couches 30 et 31 de sphères creuses 4. Sur la figure 3, on peut voir que dans une autre variante, la première couche 3 est également constituée de la superposition de deux couches 30 et 31 de sphères creuses 4, et que ces deux couches 30 et 31 sont séparées par une paroi intermédiaire 32. En référence à la figure 4, on peut voir que les sphères creuses 4 sont liées entre elles, et à la paroi 10 ainsi qu'à la seconde couche 5, par collage, au moyen d'un ponts 33 de résine par exemple. Enfin, en référence à la figure 5, on peut voir l'effet d'un impact par un élément G, sur un objet 1 recouvert d'une 15 peau amortissante 2. REVENDICATIONS1) Peau amortissante de protection de pièces composites, caractérisée en ce qu'elle consiste en un matériau composite (2) comprenant au moins deux couches superposées (3, 5), à savoir une première couche (3) constituée de la juxtaposition de sphères creuses (4) destinée à être appliquée et fixée, directement ou indirectement, à la surface (10) de la pièce (1) à protéger, et une seconde couche (5), recouvrant la première (3), et constituée d'une paroi réalisée dans un matériau ayant des propriétés de déformation plastique. 2) Peau amortissante selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche (3) est constituée de la superposition de plusieurs couches (30, 31), chacune constituée de la juxtaposition de sphères creuses (4), chacune de ces couches (30, 31) de sphères creuses (4) étant ou non séparées de la ou des autres couches de sphères creuses par une paroi intermédiaire (32).