Brevet FR2939077A1 — publié le 20100604

L'invention concerne le domaine des matériaux composites et plus particulièrement celui des matériaux composites utilisés comme matériau d'âme, à propriétés structurales, pour le remplissage total ou partiel de corps creux ou comme âme dans une structure de type sandwich, et elle a pour objet un tel matériau d'âme. Un matériau d'âme de ce type peut par exemple être utilisé, non limitativement, pour le remplissage total ou partiel de structures creuses telles que par exemple un mât de bateau ou les pales d'éoliennes. Le matériau d'âme selon l'invention pourra également être utilisé comme l'un des constituants de panneaux de structure sandwich, lesquels résultent généralement de l'association de deux peaux, de faible épaisseur, constituées de matériaux à relativement haute résistance et haut module, et d'une âme beaucoup plus épaisse et de faible densité. Les peaux des panneaux de structure sandwich peuvent être métalliques, en alliages aluminium par exemple, ou composites, stratifiés carbone époxy par exemple. Ces peaux sont collées sur une âme qui en assure l'écartement, ce qui génère la rigidité en flexion du panneau. Les matériaux d'âme utilisés sont principalement des mousses, organiques ou métalliques, et des nids d'abeilles. Dans l'état actuel des techniques, ces deux familles de solution ont des avantages et des inconvénients spécifiques. Les mousses utilisées comportent des cellules fermées donc non ventilées. Les nid d'abeille présentent des parois de cellules, qui sont positionnées dans l'épaisseur de l'âme et contribuent à la rigidité du panneau notamment en compression. Toutefois les nids d'abeille ne permettent pas de faire varier les caractéristiques dimensionnelles et mécaniques sur différentes parties d'un panneau. Leur hauteur est non ajustable localement et leurs cellules fermées. Un des défauts de ces matériaux de coeur est donc leur non-ventilation malgré l'existence de trous de drainage pas toujours suffisamment efficaces pour assurer une bonne évacuation de l'eau. Cette charge additionnelle est pénalisante et nuit de plus à la durabilité des panneaux. De plus, dans le domaine aéronautique par exemple, la réalisation de pièces de formes complexes avec des âmes en nid d'abeille peut poser problème. En effet, pour de faibles rayons de courbure, le nid d'abeille est difficilement usinable ou peut être difficilement formé. La présente invention a pour but de proposer un matériau d'âme nouveau, qui constitue une alternative aux matériaux d'âme existants, et permet de pallier les inconvénients de ceux-ci. Le matériau d'âme objet de la présente invention consiste en un matériau composite utilisé pour le remplissage total ou partiel de corps creux ou comme âme dans une structure de type sandwich, et il se caractérise essentiellement en ce que ce matériau composite est constitué de fibres, de billes et de résine. Selon une caractéristique additionnelle du matériau d'âme selon l'invention, il comprend, des éléments constitués chacun d'une bille à laquelle sont solidarisées des fibres, lesdits éléments étant reliés les uns aux autres par un enchevêtrement de fibres. Les billes ne sont pas en contact les unes avec les autres, elles constituent une ossature autour de laquelle les fibres sont architecturées. Selon un mode de réalisation particulier du matériau d'âme selon l'invention, les billes sont des sphères creuses. L'utilisation des sphères creuses présente l'intérêt non seulement de la légèreté de celles-ci, mais également de leurs propriétés mécaniques. En effet, les sphères creuses sont actuellement utilisées dans diverses applications dans le domaine du choc car elles permettent d'obtenir des absorbeurs d'énergie qui présentent une grande course d'écrasement, jusqu'à 85 %, et une insensibilité à la vitesse du choc. Les sphères creuses, en tant que renfort tridimensionnel, assurent la tenue mécanique du matériau d'âme selon l'invention. En effet, les assemblages de sphères creuses présentent une porosité ouverte qui leur confère une bonne résistance mécanique. La combinaison des sphères creuses et des fibres enchevêtrées permet d'augmenter les capacités d'absorption d'énergie de l'âme ainsi fabriquée, et d'alléger le matériau final obtenu. Les sphères creuses sont, de manière connue en soi, en métal ou en matières synthétiques telles que polymère, céramique ou élastomère, ou minérales. Le diamètre de ces sphères creuses est compris entre 1 et 6 mm, et un matériau d'âme selon l'invention peut comporter des sphères creuses toutes du même diamètre, ou non. Le diamètre et la nature de la coque des sphères creuses sont dimensionnés en fonction de la capacité d'absorption 15 recherchée et du type de fibres employées. Selon une caractéristique additionnelle du matériau d'âme selon l'invention, les fibres et les billes ou sphères creuses sont constituées de matériaux différents. De manière avantageuse, les fibres sont en carbone, en 20 verre ou en matériau métallique, leur diamètre est inférieur à leur longueur, de préférence, elles ont une section correspondant à un diamètre compris entre 5 et 200pm, et une longueur comprise entre 10 et 60mm. La concentration volumique des billes ou des sphères 25 creuses est comprise entre 20 et 70 %, et de manière préférentielle, elle est de l'ordre de 60%. La modification de la proportion de billes et/ou de la densité de fibres enchevêtrées, permet de produire des âmes à gradient de densité. 30 Les avantages et les caractéristiques du matériau d'âme selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte aux annexes, lesquelles concernent notamment des essais comparatifs des propriétés de panneau de structure sandwich dont certain comprennent un 35 matériau d'âme selon l'invention. Dans le dessin annexé : - la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une partie d'une pièce comprenant un matériau d'âme selon l'invention. - la figure 2 représente une vue schématique en coupe 5 transversale d'une partie d'un panneau de structure sandwich comprenant un matériau d'âme selon l'invention. - la figure 3 représente des courbes des performances mécaniques de panneaux de structure sandwich comprenant un matériau d'âme selon l'invention. 10 - la figure 4 représente les résultats d'essais de compression réalisés sur un panneau de structure sandwich comprenant un matériau d'âme selon l'invention, et sur des panneaux de structure sandwich de matériau d'âme d'autres conceptions. 15 - la figure 5 représente des courbes illustrant la capacité d'absorption d'énergie d'un panneau de structure sandwich comprenant un matériau d'âme selon l'invention et de panneaux de structure sandwich de matériau d'âme d'autres conceptions. 20 - la figure 6 représente des courbes illustrant les valeurs du module de cisaillement en fonction de la flèche obtenues, pour deux panneaux de structure sandwich, dont l'un comprend un matériau d'âme selon l'invention. - la figure 7 représente un tableau comparatif d'un 25 panneau de structure sandwich comprenant un matériau d'âme selon l'invention et de panneaux de structure sandwich de matériau d'âme d'autres conceptions. En référence à la figure 1, on peut voir une pièce manufacturée 1, comprenant une coque 2 formant un corps creux 30 empli d'un matériau d'âme 3 selon l'invention. Le matériau d'âme 3 est constitué de l'assemblage d'éléments 4 liés entre eux par une résine 5, de l'époxy par exemple, chacun des éléments 4 étant constitué d'une bille, ou d'une sphère creuse, 6 sur laquelle sont solidarisées des fibres 35 7, les éléments 4 étant reliés entre eux, outre par la résine 5, par des fibres 8. En référence maintenant à la figure 2, on peut voir une représentation schématique d'une utilisation particulière d'un matériau d'âme selon l'invention, à savoir un panneau de structure sandwich 10. Ce panneau 10 comprend deux peaux extérieures 20 entre lesquelles est intercalée une âme 3 en matériau composite selon l'invention composé également d'éléments 4. Dans le matériau d'âme 3, que ce soit pour une pièce 1 ou un panneau 10, les fibres 7 sont solidarisées aux billes ou sphères creuses 6 par soudage, brasage ou autres techniques similaires, ou bien collées au moyen d'un liant tel que non limitativement une résine. Selon un mode de réalisation non limitatif, les fibres 7 sont pré-imprégnées par vaporisation d'une résine sur toute leur surface. De manière préférentielle, les fibres 8 ne sont pas orientées, elles sont enchevêtrées de façon aléatoire pour former un matelas. Elles assurent la cohésion du matériau d'âme 3 et transmettent les efforts au renfort que constituent les billes 6. Les billes 6 permettent de donner de la rigidité à l'âme 3, l'utilisation de sphères creuses en remplacement des billes permet de plus de l'alléger, tandis que les fibres 7 et 8 permettent d'augmenter le niveau de contrainte lors du plateau de compression et donc d'obtenir une amélioration de l'absorption d'énergie. De manière préférentielle, un matériau d'âme 3 selon l'invention comporte des sphères creuses 6 en remplacement des billes. On connaît déjà des matériaux composites contenant des sphères creuses seules. Leur inconvénient principal est, qu'en cas choc, les assemblages de sphères creuses présentent des faciès de rupture adhésive. Ces structures éclatent en morceaux et l'absorption d'énergie ne se fait pas par écrasement des sphères creuses, mais par rupture de la liaison entre les sphères creuses. Le matériau d'âme selon l'invention permet de pallier cet inconvénient en permettant de renforcer la cohésion entre les sphères creuses, et lorsque le matériau est soumis à des sollicitations extérieures, les fibres transmettent les efforts aux sphères creuses. La configuration du matériau d'âme, proposée dans le brevet, permet d'éviter de faire travailler les liaisons � classiques � par collage entre les billes, qui concentrent localement les efforts. Avec le matériau d'âme objet de la présente invention, les efforts sont répartis sur les fibres et les coques des sphères creuses. Cette architecture permet d'augmenter non seulement les capacités d'absorption d'énergie du matériau et mais également sa résistance au cisaillement. En référence à la figure 3 on peut voir les courbes contrainte-déformation obtenues sur quatre panneaux de structure sandwich comprenant un matériau d'âme selon l'invention, qui présentent tous de manière identique deux peaux en carbone d'épaisseur de 0,6 mm, dont l'âme présente une épaisseur de 28,8 mm et qui comprend de la résine, des fibres de carbone enchevêtrées et des sphères creuses en polymère, la densité de fibres de carbone étant égale à 250 kg/m3. Ces quatre panneaux diffèrent uniquement par leur concentration volumique de sphères creuses qui est respectivement de 20%, 40%, 60% et 70%. Parallèlement, sur la figure 4 sont représentées des courbes contrainte-déformation obtenues sur des panneaux de structure sandwich de même épaisseur et de peaux identiques, mais dont les âmes sont composées différemment. Ainsi les panneaux testés sont un panneau dont l'âme est en nid d'abeille, un panneau dont l'âme est constituée d'une mousse polyméthacrylimide, un panneau dont l'âme comprend des sphères creuses seules, et un panneau selon l'invention comprenant des sphères creuses et des fibres. Au vu de ces deux séries de tests, on peut constater, sur les courbes de la figure 3, qu'en ce qui concerne le comportement mécanique de l'âme pour une concentration de 20 % il y a absence de véritable pic, tandis que le comportement d'un panneau pour une concentration de 70% est proche de celui d'un panneau dont le matériau d'âme ne comprend que des sphères creuses, avec une faible contrainte de plateau. Il en ressort que pour obtenir un comportement intermédiaire la concentration volumique de sphères creuses doit être de l'ordre de 60% pour la géométrie et la nature des matériaux testés. Par ailleurs, les courbes de la figure 4 mettent en évidence qu'un panneau de structure sandwich comprenant un matériau d'âme selon l'invention présente une rigidité supérieure à celle de panneaux de structure sandwich dont l'âme comporte des sphères creuses seules. D'autre part on peut constater que le module de Young d'un panneau de structure sandwich à matériau d'âme selon l'invention est augmenté de 120 % par rapport au module de Young d'un panneau de structure sandwich d'âme à base de sphères creuses, et qu'il est sensiblement du même ordre de grandeur que le module de Young d'un panneau de structure sandwich d'âme en nids d'abeilles. On peut également constater, en comparant les courbes concernant le panneau à matériau d'âme selon l'invention et le panneau de structure sandwich dont l'âme contient des sphères creuses seules, que pour une déformation de 10%, l'énergie absorbée est multipliée par 10, et ce pour une augmentation de densité d'un facteur de 2 seulement. Ainsi, le panneau de structure sandwich à matériau d'âme selon l'invention n'est pas pénalisant en termes de masse, puisque les sphères creuses sont connues pour leur faible densité. Au contraire, l'ajout de sphères creuses permet d'alléger le matériau d'âme tout en améliorant les capacités d'absorption de celui-ci. La figure 5 représente la capacité d'absorption d'énergie d'un panneau de structure sandwich à matériau d'âme selon l'invention, comparée à celles de deux panneaux de structure sandwich l'un d'âme en mousse, et l'autre d'âme en nids d'abeilles. L'énergie absorbée a ainsi été calculée à partir des essais de compression précédents en intégrant l'aire sous les différentes courbes contrainte-déformation. Sur cette figure on peut voir que le panneau de structure sandwich selon l'invention présente une augmentation de sa capacité d'absorption d'énergie par rapport à au panneau de matériau d'âme en mousse, et encore plus par rapport au panneau d'âme en nids d'abeilles. En référence à la figure 6, on peut voir l'évolution des modules de cisaillement en fonction de la flèche obtenues pour deux panneaux de structure sandwich comprenant chacun deux peaux en carbone d'épaisseur 2 mm et une âme d'épaisseur de 26 mm, l'âme de l'un étant composée, selon l'invention, de résine, de fibres de carbone enchevêtrées et de sphères creuses en polymère, pour une masse volumique de 300 kg /m3, tandis que l'âme de l'autre est composée uniquement de fibres en carbone enchevêtrées et de résine, pour une masse volumique de 250 kg /m3 Nous pouvons constater que pour un panneau de structure sandwich à matériau d'âme selon l'invention, le module de cisaillement augmente significativement, et que la valeur du module de cisaillement pour le panneau de structure sandwich à matériau d'âme contenant des fibres seules est d'environ 30 MPa, alors que pour le matériau d'âme selon l'invention la valeur du module est d'environ 140 MPa. Ainsi, pour une augmentation de la masse volumique qui n'est pas significative, on obtient un gain substantiel du module de cisaillement. Sur le tableau de la figure 7, sont reportés les résultats d'essais en flexion réalisés sur trois panneaux de structure sandwich. Chaque panneau comporte une âme de nature différente, à savoir l'une contenant des sphères creuses et des fibres selon l'invention, l'une en nids d'abeilles, et la dernière en mousse polyméthacrylimide. De ces essais il résulte que le module de cisaillement G 35 obtenu pour une âme selon l'invention est environ deux fois supérieur à ceux obtenus pour une âme en nids d'abeilles et pour une âme en mousse polyméthacrylimide. La résistance mécanique d'un panneau de structure sandwich comprenant un matériau d'âme selon l'invention est d'autant plus importante que les fibres adhèrent à la surface des billes ou des sphères creuses. On a ainsi pu constater qu'un panneau de structure sandwich comprenant un matériau d'âme selon l'invention présente des performances mécaniques supérieures à celles des panneaux de structures sandwich existantes. Ainsi sa rigidité est supérieure à celle de panneaux de structure sandwich dont l'âme comporte des sphères creuses seules ou est réalisée en mousse, et sensiblement égale à celle de panneaux de structure sandwich d'âme en nids d'abeilles, tandis que sa capacité d'absorption d'énergie est supérieure à celles de panneaux de structure sandwich d'âme en mousse et en nids d'abeilles. Du point de vue fabrication, un matériau d'âme selon l'invention peut être obtenu selon le procédé qui consiste à réaliser les étapes successives suivantes : - la séparation des fibres, - ajout de résine, - mélange des fibres et des billes ou des sphères creuses, - moulage de l'âme, et - polymérisation. En ce qui concerne la fabrication d'un panneau de structure sandwich, la réticulation de l'âme aux peaux est réalisée conjointement avec l'étape de polymérisation. Selon un autre mode de réalisation, l'âme selon l'invention peut être obtenue en associant des couches successives de densités différentes, composées de différentes proportions de billes ou de fibres de densités différentes. Ainsi de façon non limitative, un matériau à gradient de densité pourra être construit. Le matériau d'âme selon l'invention est relativement souple et peut être moulé suivant des formes variées. Il est ainsi possible de réaliser des formes complexes par moulage comme celle représentée sur la figure 1. Ce mode de réalisation permet d'éviter tout usinage ou formage ultérieur et permet de s'affranchir des difficultés et des contraintes liées à ces techniques. Par ailleurs, ce matériau offre des avantages tels que sa porosité ouverte qui permet une certaine ventilation ou la possibilité à s'adapter aux géométries complexes. En terme d'applicabilité, ce matériau, de part ses constituants, est multifonctionnel et pourra être utilisé pour des applications où, par exemple, une bonne tenue au feu et des propriétés de conductibilité électrique sont recherchées. Le matériau d'âme selon l'invention peut être utilisé dans la fabrication de panneaux de structure sandwich destiné au domaine du transport en général, de l'aéronautique en particulier, et avantageusement pour des pièces de forte courbure, un bord d'attaque par exemple. Il peut également être utilisé pour le remplissage total ou partiel de corps creux dans le domaine spatial, mais également dans le domaine éolien pour des applications à des pales d'éoliennes par exemple. REVENDICATIONS1) Matériau d'âme (3) consistant en un matériau composite utilisé pour le remplissage total ou partiel de corps creux (1) ou comme âme dans une structure de type sandwich (10) en étant intercalé entre deux peaux (20), caractérisé en ce que ce matériau composite est constitué de fibres (7, 8), de billes (6) et de résine (5). 2) Matériau d'âme (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments (4) constitués chacun d'une bille (6) à laquelle sont solidarisées des fibres (7), lesdits éléments (4) étant reliés les uns aux autres par un enchevêtrement de fibres (7, 8). 3) Matériau d'âme (3) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres (7) sont solidarisées aux billes (6) par soudage ou brasage, ou bien collées au moyen d'un liant tel qu'une résine (5). 4) Matériau d'âme selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les billes (6) sont des sphères creuses. 5) Matériau d'âme (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres (7, 8) et les billes ou sphères creuses (6) sont constituées de matériaux différents. 6) Matériau d'âme (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres (7, 8) sont en carbone, en verre ou en matériau métallique, leur diamètre est inférieur à leur longueur, elles ont une section correspondant à un diamètre compris entre 5 et 200pm, et une longueur comprise entre 10 et 60mm. 7) Matériau d'âme (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la concentration volumique des billes ou des sphères creuses (6) est comprise entre 20 et 70 %, et de manière préférentielle, elle est de l'ordre de 60%. 11 8) Panneau de structure sandwich (10) constitué de deux peaux (20) de faible épaisseur et une âme intercalée entre lesdites deux peaux (20), caractérisé en ce que l'âme est constituée d'un matériau d'âme (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9) Utilisation du matériau d'âme (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans la fabrication de pièces (1; 10) dans le domaine aéronautique, dans le domaine spatial, ou dans le domaine éolien.