Brevet FR2939954A1 — publié le 20100618

STRUCTURE EN MATÉRIAU COMPOSITE PROTÉGÉE DES EFFETS DE LA FOUDRE La présente invention appartient au domaine des structures réalisées avec des matériaux composites. Plus particulièrement l'invention concerne des structures réalisées dans des matériaux composites non électriquement conducteurs ou faiblement conducteurs et susceptibles d'être soumis lors de leur utilisation à des impacts de foudre. L'invention concerne en particulier des structures en matériau composite pour aéronefs. Parmi les nombreuses familles de matériaux composites, la famille des composites comportant des fibres d'un matériau minéral (verre, silice, carbone...) ou organique (aramide, Kevlar� ...) maintenues dans une matrice organique dure (polyester, époxy ...) est largement mise en oeuvre pour la réalisation de structures en raison de leurs performances mécaniques, en particulier leurs résistances par rapport à la masse, et ou en raison de leurs possibilités de réaliser des formes complexes. Ces caractéristiques et avantages sont particulièrement appréciés pour la fabrication des aéronefs et par matériau composite il convient de comprendre dans la présente demande les matériaux composites de cette famille des matériaux comportant des fibres minérales ou organiques maintenues dans une matrice organique dure. Lorsque des matériaux composites sont mis en oeuvre pour réaliser des structures d'un aéronef soumises à l'écoulement aérodynamique externe de l'aéronef, des charges électriques ont tendance à s'accumuler naturellement à la surface du matériau en raison de la nature isolante ou faiblement conductrice électriquement de ces matériaux. En absence de précautions particulières ces charges sont évacuées dans l'air ambiant, lorsque les différences de potentiel électrique sont localement suffisantes en raison des charges électriques accumulées, sous la forme de décharges électriques qui génèrent des perturbations électromagnétiques susceptibles de perturber le fonctionnement des systèmes électroniques de l'aéronef. En outre les aéronefs en vol sont fréquemment soumis à des impacts de foudre dont l'énergie électrique est suffisante pour provoquer un endommagement local de la structure, endommagement qui doit être évité pour des raisons évidentes d'intégrité de l'aéronef et pour des raisons de sécurité lorsque les structures concernées sont des structures devant résister à des efforts importants, dites structures travaillantes. Pour ces raisons, il est connu de rendre électriquement conducteur les structures en matériau composite sur une surface de ces structures soumise à l'écoulement aérodynamique et qui est également la surface susceptible d'être soumise à des impacts de foudre. Pour rendre électriquement conductrice en surface d'une structure en matériau composite intrinsèquement isolante ou faiblement conductrice, il est connu de placer sur la surface devant être rendue conductrice des éléments métalliques conducteurs de l'électricité, ces éléments métalliques conducteurs étant reliés entre eux d'une pièce en matériau composite à une autre pièce en matériau composite ou étant reliés à une structure métallique conductrice. Une première technique connue consiste à placer sur la surface de la pièce en matériau composite des bandes métalliques conductrices plus ou moins espacées reliées, par au moins une de leurs extrémités, à une masse générale de l'aéronef. L'avantage de cette solution est qu'elle permet de limiter la surface couverte par le matériau conducteur tout en permettant de disposer de sections conductrices significatives pour conduire les courants de foudre et donc de conserver pour la structure en matériau composite ainsi métallisée une transparence radioélectrique élevée. Une telle solution de bandes dites parafoudres est avantageusement mise en oeuvre sur des radômes d'avion mais sa réalisation est délicate et présente le défaut de ne pas protéger toute la surface de la pièce en particulier lorsque la transparence radioélectrique n'est pas recherchée. Une seconde technique connue consiste à recouvrir toute la surface à protéger de la structure en matériau composite par un grillage réalisé dans un matériau métallique conducteur électrique. Un tel grillage est réalisé le plus souvent en bronze ou en cuivre, en particulier en raison des caractéristiques de conductivité électrique de ces matériaux et pour des raisons de tenue à la corrosion, soit par un procédé conventionnel de tissage de fils soit par un procédé d'étirage à partir d'une plaque préparée pour obtenir un grillage par déploiement. Ces grillages sont déposés sur la surface de la pièce suivant différentes techniques, par exemple déposés à la surface de la pièce en cours de réalisation avant une cure de durcissement par polymérisation de la matrice du matériau composite. En raison des intensités associées aux impacts de foudre en particulier à proximité du point de la structure au niveau duquel se produit l'impact, les grillages doivent présenter des sections conductrices suffisantes qui conduisent à des grillages d'une part lourds (en général de 150 à 300 g/m2 sur une structure d'aéronef, soit de l'ordre de 1000 kg pour la protection d'un fuselage d'un avion long courrier gros porteur) et d'autre part qui détériorent l'état de surface de la structure ainsi traitée dont l'aspect aérodynamique et l'aspect esthétique nécessitent pour être préservés une couche d'apprêt d'épaisseur suffisante et une couche de peinture de finition d'environ 100 pm (E10-4 m) sources de pénalités en termes de coûts et de masse. En outre de tels grillages, relativement rigides, présentent l'inconvénient d'une mise en oeuvre complexe, en particulier en raison des formes des structures à recouvrir et d'interférences avec les processus de fabrication du matériau composite. La présente invention a précisément pour objectif de définir une structure en matériau composite protégée efficacement contre les effets de la foudre, et qui évite les accumulations de charges électriques à sa surface, avec une pénalité de masse réduite par rapport aux solutions connues de performances au moins équivalentes vis à vis de la protection contre les effets des impacts de foudre. Suivant l'invention la pièce protégée comporte une partie structurale en matériau composite électriquement isolant ou faiblement conducteur telles que les pièces réalisées à partir de fibres de verre, de fibres aramide ou de fibres de carbone maintenue dans une matrice organique, époxy par exemple. Sur la surface de la partie structurale, au moins du côté de la pièce susceptible d'être soumise à des accumulations de charges électriques ou à des impacts de foudre, la pièce comporte un réseau réalisé avec un matériau électriquement conducteur et comporte une couche de peinture électriquement conductrice de façon telle que le réseau est situé entre la partie structurale en matériau composite et la couche de peinture électriquement conductrice. La peinture forme une couche conductrice continue qui permet de disperser le pied d'arc lors d'un impact de foudre et assure le passage du courant de foudre dans le réseau conducteur avec des densités de courant diminuées comparativement à une situation dans laquelle la foudre frappe directement le réseau conducteur. Pour améliorer l'état de surface final de la pièce et protéger le réseau, la pièce comporte, entre le réseau et la couche de peinture électriquement conductrice, une couche d'apprêt et ou de primaire de protection du réseau. En raison de leurs bonnes caractéristiques de conduction électrique, le réseau est avantageusement réalisé au moyen d'un grillage métallique en bronze, en cuivre ou en un alliage à base de cuivre, ou encore en aluminium ou en un alliage à base d'aluminium. La mise en oeuvre de l'invention permet de limiter la quantité de métal utilisée pour former le réseau conducteur. En pratique pour une structure d'aéronef, la structure composite est protégée de manière satisfaisante contre les effets de la foudre avec une densité surfacique du réseau conducteur comprise entre 50 et 100 g/m2 et de préférence une densité surfacique de 70 � 10 g/m2. Une protection efficace est obtenue en particulier lorsque la conductivité électrique de la couche de peinture électriquement conductrice est au moins de 0,0001 Siemens/m. Pour protéger la peinture électriquement conductrice et obtenir l'état de surface souhaité la surface protégée est recouverte d'une couche de peinture de finition dont l'épaisseur est de préférence de 20 � 5 pm en moyenne. La sélection de caractéristiques de conduction adaptées pour le réseau conducteur et pour la peinture électriquement conductrice permet de réaliser une couche de peinture dont l'épaisseur cumulée de la couche de peinture électriquement conductrice et de la couche de peinture de finition est sensiblement identique à une couche de peinture de protection unique c'est à dire de 100 � 20 pm en moyenne et donc ne pénalise pas le produit réalisé en particulier en masse de peinture. La description détaillée d'exemples de réalisation de l'invention est faite en référence à la figure unique qui représente schématiquement sur une section en vue perspective partiellement écorchée les différentes couches formant une pièce en matériau composite suivant l'invention. Une pièce 1 de structure en matériau composite suivant l'invention comporte principalement une partie structurale 2 d'épaisseur structurale Es comportant des fibres minérales ou organiques maintenues dans une matrice dure organique. Une partie d'une telle pièce de structure est représentée sur la figure 20 unique. La figure présente une pièce localement plane à titre d'illustration sans que ce caractère soit limitatif de l'invention. Une telle structure est connue en particulier dans les applications aéronautiques pour lesquelles un rapport résistance structurale sur masse de structure favorable est recherché. 25 Par exemple une telle structure comporte des plis empilés de fibres de verre, kevlar� ou carbone, tissées ou unidirectionnelles, maintenues dans une matrice d'un matériau polymère tel qu'une aramide. Dans un autre mode de réalisation non représenté, la structure comporte dans son épaisseur Es une structure alvéolaire, mousse ou nid d'abeille par 30 exemple, entre deux revêtements réalisés par des fibres maintenues dans une matrice. De manière également connue, la structure est conformée à la forme de la pièce au cours d'un processus de formage avant durcissement par polymérisation du matériau de la matrice, cas des matrices dite thermodurcissables, ou au cours d'un processus de formage à une température pour laquelle la matrice est dans un état plastique, cas des matrices thermoplastiques. Suivant les cas une telle pièce comporte des parties métalliques (non représentées) et ou des perçages (non représentés) en particulier pour des besoins de fixation de la pièce 1. Suivant sa destination, une telle pièce est par exemple une pièce dite structurale soumise à des efforts importants, du même ordre en conditions limites d'utilisation que la résistance structurale de la pièce, par exemple un panneau de fuselage ou de voilure d'avion, ou bien une pièce dite secondaire telle qu'un carénage, par exemple un carénage de raccordement entre l'aile et le fuselage d'un avion. La pièce 1 comporte en outre, sur une surface 21, dite surface extérieure, de la partie structurale 2 d'un coté de ladite pièce sur lequel des charges électriques sont susceptibles de s'accumuler et ou un arc électrique, notamment lié à la foudre, est susceptible de se produire, une couche 3 de surface dite de métallisation. La surface de la pièce 1 du coté de laquelle se trouve ladite couche de métallisation 3 est dite surface protégée. Dans le cas des aéronefs elle correspond en particulier à la surface de la pièce d'un côté extérieur de l'aéronef, c'est à dire la surface soumise à l'écoulement aérodynamique. La couche de métallisation 3 comporte elle-même d'une part une première couche conductrice 31 formée par un réseau électriquement conducteur recouvrant la surface extérieure 21 de la partie structurale protégée de la pièce et d'autre part une seconde couche conductrice 32 formée par une peinture électriquement conductrice recouvrant la première couche conductrice 31. Les peintures électriquement conductrices sont connues de manière générale et consistent par exemple en des peintures chargées en particules conductrices. Dans un tel agencement la seconde couche 32 de peinture conductrice ne permet pas de garantir seule une conduction suffisante pour dissiper des courants de foudre en cas d'impact de foudre mais ladite seconde couche de peinture conductrice par sa faible résistance surfacique locale assure une dispersion du pied d'arc de la foudre autour du point d'impact suffisante pour répartir le courant sur une surface telle que des densités surfaciques de courant soit réduites sur la surface protégée. Dans un mode préféré de réalisation une peinture électriquement 10 conductrice présentant une conductivité électrique égale ou supérieure à 0,0001 Siemens/m est choisie. Du fait de ces densités surfaciques de courant réduites, le courant de foudre est en mesure d'être dispersé efficacement par la première couche conductrice 31 sans qu'il soit nécessaire de réaliser un réseau électriquement 15 conducteur aussi dense que dans une protection conventionnelle. Ainsi le réseau est allégé en étant réalisé avec des fils électriquement conducteurs plus fins et ou avec un maillage du réseau moins serré. Le réseau est par exemple réalisé par tissage de fils conducteurs ou par un procédé d'étirage et déploiement d'une feuille conductrice dans laquelle ont 20 préalablement été réalisées des entailles. Avantageusement le réseau est réalisé en métal conducteur avec une densité surfacique comprise entre 50 et 100 g/m2, de préférence de 70 � 10 g/m2. Dans une forme de réalisation préférée, une couche d'apprêt 33 est 25 déposée sur la première couche électriquement conductrice 31 pour préparer l'accrochage de la couche de peinture conductrice 32 et, en particulier lorsque la surface protégée est visible, une couche de finition extérieure 34 par une peinture conventionnelle assure une protection de la peinture électriquement conductrice, un état de surface final amélioré et la décoration de la structure. 30 De préférence l'épaisseur de la couche 34 de peinture de finition extérieure est réduite au minimum, avantageusement de l'ordre de 20 pm, typiquement 20 � 5 pm en moyenne, ce qui est rendu possible par la couche de peinture électriquement conductrice 32 qui a également par ailleurs les comportements physico-chimiques d'une peinture. Comme dans le cas d'une peinture conventionnelle de protection d'une structure métallique, la couche 34 de peinture de finition peut être isolante, ladite couche étant traversée par les courants de foudre près du point d'impact de la foudre et, en raison de sa faible épaisseur présente une résistance réduite comparée à une peinture conventionnelle de l'ordre de cinq fois plus épaisse. Avantageusement les épaisseurs cumulées de la seconde couche 32 de peinture conductrice et de la couche 34 de peinture de finition extérieure sont inférieures ou sensiblement égale à l'épaisseur d'une couche de peinture conventionnelle de protection et de finition, c'est à dire environ 100 � 20 pm en moyenne. Il est également possible en appliquant la solution proposée par l'invention de sélectionner un matériau métallique moins performant que le cuivre vis à vis de la conduction électrique mais plus léger tel qu'un alliage d'aluminium dans la mesure où les éventuels problèmes de corrosion sont résolus par le choix des matériaux ou par des traitements anticorrosion appropriés. L'invention permet donc de réaliser une structure protégée contre les effets de la foudre avec une masse inférieure de protection de surface par rapport aux protections connues en répartissant la conduction des courants de foudre entre la peinture et une protection conventionnelle allégée, sans nuire à l'état de surface fini malgré une couche de peinture de finition de d'épaisseur réduite. Revendications1 ù Pièce (1) comportant une partie structurale en matériau composite (2) électriquement isolant ou faiblement conducteur comportant, sur une surface (21) de ladite partie structurale, au moins sur un côté de ladite pièce susceptible d'être soumise à des accumulations de charges électriques et ou à des impacts de foudre, un réseau (31) d'un matériau électriquement conducteur caractérisé en ce qu'elle comporte dudit coté une couche de peinture électriquement conductrice (32) telle que le réseau (31) est situé entre la partie structurale (2) en matériau composite électriquement isolant ou faiblement conducteur et la couche de peinture électriquement conductrice (32). 2 ù Pièce (1) suivant la revendication 1 comportant entre le réseau (31) et la couche de peinture électriquement conductrice (32) une couche d'apprêt et ou de primaire de protection du réseau (31). 3 ù Pièce (1) suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle le réseau est un grillage métallique en bronze. 4 ù Pièce (1) suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle le réseau est un grillage métallique en cuivre ou en un alliage à base de cuivre. 5 ù Pièce (1) suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle le réseau est un grillage métallique en aluminium ou en un alliage à base d'aluminium. 6 ù Pièce (1) suivant l'une des revendications 3, 4 ou 5 dans laquelle le grillage métallique présente une densité surfacique comprise entre 50 et 100 g/m2. 7 ù Pièce (1) suivant la revendication 6 dans laquelle le grillage métallique présente une densité surfacique de 70 � 10 g/m2. 8 ù Pièce (1) suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle la conductivité électrique de la couche de peinture électriquement conductrice (32) est au moins de 0,0001 Siemens/m .9 û Pièce (1) suivant l'une des revendications précédentes comportant du côté de ladite pièce susceptible d'être soumise à des accumulations de charges électriques et ou à des impacts de foudre une couche de peinture de finition (34). û Pièce (1) suivant la revendication 9 dans laquelle l'épaisseur de la couche de peinture de finition (34) est de 20 � 5 pm en moyenne. 11 - Pièce (1) suivant la revendication 10 dans laquelle l'épaisseur cumulée de la couche de peinture électriquement conductrice (32) et de la couche de 10 peinture de finition (34) est de 100 � 20 pm en moyenne.