Brevet FR2947569A1 — publié le 20110107

PROCEDE DE TRAITEMENT PAR UN FAISCEAU D'IONS D'UN MATERIAU COMPOSITE RECOUVERT OU NON D'UNE PEINTURE L'invention a pour objet un procédé de traitement par un faisceau d'ions d'un matériau composite et vise à réduire la formation et/ou l'accroche de givre soit en bord d'attaque d'une aile d'avion, d'une nacelle de réacteur d'avion, soit encore en bord de fuite d'une aile. La formation de ce givre peut avoir des conséquences désastreuses, en alourdissant l'avion et en réduisant sa portance. Ces effets ont produit à plusieurs reprises des accidents. On entend par � composite � un matériau constitué de deux composants : une matrice polymère et des renforts. La matrice polymère, qui assure la cohésion de la structure, peut être par exemple une résine époxyde, polyester, phénolique, polyimide ou de la mélamine. La tenue mécanique du composite est assurée par les renforts qui peuvent avoir la forme de fibres unidirectionnelles, d'un mat, de tissus... Les renforts peuvent être par exemple des fibres de verre, des fibres polymères (kevlar...), des fibres de carbone, des renforts minéraux (amiante, micaù), des fibres métalliques, des fibres céramiques. De tels matériaux composite peuvent conduire à des applications très avantageuses, par exemple dans les domaines de l'aéronautique, du spatial où les qualités recherchées concernent la sécurité en vol ou encore la réduction des coûts relatifs au surpoids des engins. Il en résulte un besoin de méthode de traitement de surface de matériau composite, de préférence selon des méthodes facilement industrialisables, de manière à pouvoir offrir de tels matériaux composites en quantité significative et à des coûts raisonnables. L'invention a pour but d'offrir une méthode traitement de matériau composite peu onéreuse et permettant de traiter des surfaces répondant aux besoins de nombreuses applications.L'invention propose ainsi un procédé de traitement par un faisceau d'ions d'une matériau composite qui comprend un bombardement ionique où : - les ions du faisceau d'ions sont sélectionnés parmi les ions des éléments de la liste constituée de l'hélium (He), du bore (B), du carbone (C), de l'azote (N), de 10 l'oxygène (0), du néon (Ne), de l'argon (Ar), du krypton (Kr), du xénon (Xe) ; - la tension d'accélération des ions est supérieure ou égale à 10 kV et inférieure ou égale à 1000 kV ; - la température du matériau composite est inférieure 15 ou égale à 180° C; - on choisit la dose d'ions par unité de surface dans une plage comprise entre 1012 ions/cm2 et 1018 ions/cm2 de manière à réticuler le matériau composite pour augmenter l'angle de contact d'une goutte d'eau d'au moins 5°. On 20 appelle rétculation le processus de recombinaison des radicaux libres crées par le passage des ions, donnant lieu à la formation d'une haute densité de liaisons covalentes. Selon un mode de réalisation, le matériau composite est recouvert d'une peinture résistante à l'abrasion. Cette 25 peinture peut par exemple être en polyuréthane. Sa compatibilité avec le matériau composite rend son comportement physico-chimique proche de celui du matériau composite. En règle générale, il existe une très forte probabilité pour qu'elle présente des caractères 30 hydrophobiques comparables à ceux du matériau composite lorsqu'elle soumise au procédé de l'invention. Cela a pu être démontré dans l'exemple qui suit. Selon un mode de réalisation, le matériau composite n'est recouvert d'aucune peinture. Le choix des ions et des conditions de bombardement de ces ions selon l'invention permet d'obtenir avantageusement une augmentation de l'hydrophobie du matériau composite se traduisant par une augmentation de l'angle de contact et une réduction des forces intermoléculaires entre la goutte d'eau et le matériau composite traité. Ces propriétés sont très importantes pour réduire la formation de givre sur le bord d'attaque d'une aile d'avion, ou encore sur son bord de fuite de l'aile. On désigne par ice-phobie ou propriétés icephobiques le comportement et la qualité d'un matériau à retarder, réduire ou empêcher la formation d'une couche de givre. Les inventeurs ont pu constater que les plages choisies selon l'invention de tension d'accélération et de dose d'ions par unité de surface permettent de sélectionner des conditions expérimentales où le renforcement de propriétés hydrophobiques et par voie de conséquence ice-phobiques, est possible grâce à un bombardement ionique. En outre, ils ont pu constater que le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre � à froid �, notamment à température ambiante et qu'il convient que la température du matériau composite demeure inférieure ou égale à la valeur de 180° C durant la mise en œuvre du procédé. On peut ainsi éviter avantageusement que le matériau composite subisse une modification physico-chimique ou mécanique. Le choix de la dose d'ions par unité de surface dans la plage de dose selon l'invention peut résulter d'une étape préalable d'étalonnage où on bombarde avec un des ions parmi He, B, C, N, 0, Ne, Ar, Kr, Xe, un échantillon constitué du matériau composite envisagé. Le bombardement de ce matériau composite peut s'effectuer dans différentes zones du matériau avec une pluralité de doses d'ions, dans la plage selon l'invention, et on observe les zones traitées de manière à choisir une dose adéquate en fonction de l'angle de contact d'une goutte d'eau avec le matériau composite ou encore l'angle de décrochage minimal de cette même goutte obtenu en inclinant l'échantillon par rapport à un plan horizontal. Au delà de cet angle de décrochage minimal la goutte d'eau glisse d'ou l'impossibilité à former du givre. L'observation des zones traitées ainsi peut s'effectuer par des techniques d'observation simples, telles qu'une photographie de la goutte prise dans le plan du matériau composite placé sur une table, ou encore le relevé de l'angle d'inclinaison à partir duquel la goutte se déplace sur le matériau composite. Il est également possible d'utiliser des techniques d'analyse plus élaborées comme la mesure de la force tangentielle nécessaire à la séparation de deux plaques parallèles de matériau composite reliées par une couche de givre. Sans vouloir être lié par une quelconque théorie scientifique, on peut penser que ce phénomène peut s'expliquer par nature des liaisons chimiques créées par l'ion incident dans le matériau composite. L'ion incident casse sur son passage les liaisons covalentes, produisant des radicaux libres qui se recombinent préférentiellement sous forme de liaisons de type carbone-carbone, très faiblement polarisées. D'ou une réduction du caractère polaire initial. La surface du matériau prend alors un caractère apolaire autrement dit hydrophobe. D'autre part on peut penser que la saturation en liaisons covalentes (réticulation) induit une inertie physico-chimique superficielle du matériau composite. Ceci se traduit par réduction des forces de Van der Walls entre la goutte d'eau et le matériau composite, d'ou une diminution de l'adhérence de la goutte d'eau ou encore une réduction de l'angle de décrochage minimal. Outre le renforcement des propriétés hydrophobiques intimement liées aux propriétés icephobiques dont elles sont à l'origine, le procédé de l'invention permet de durcir la surface du matériau composite sur une épaisseur de l'ordre du micron sans alourdir le matériau composite. Le procédé de l'invention présente l'avantage de pouvoir remplacer des peintures de plusieurs centaines de microns d'épaisseur représentant un poids de plusieurs centaines de kilogrammes. On allège d'autant la voilure d'un avion ou encore la nacelle d'un réacteur. Selon différents modes de réalisation qui peuvent être combinés entre eux : - la dose d'ions par unité de surface est comprise entre 1014 ions/cm2 et 5 1017 ions/cm2 ; - le matériau composite peut être recouvert ou non d'une couche de peinture; Nous avons pu constater que le caractère hydrophobe est renforcé dans les deux cas; - la tension d'accélération des ions est comprise entre 20 kV et 200 kV ; - les ions sont produits par une source à résonance cyclotronique électronique (RCE) qui a l'avantage d'être compacte et économe en énergie. D'autres particularités et avantages de la présente invention ressortiront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, notamment en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures l.a à l.d illustrent l'effet du procédé 30 selon l'invention sur l'angle de contact d'une goutte d'eau; - le figures 2 illustre l'effet du procédé selon l'invention sur l'évolution de l'angle de contact d'une goutte d'eau selon la dose; En abscisse on trouve la dose, en ordonnée l'angle de contact exprimé en degré. - les figures 3.a et 3.b illustre l'effet du procédé selon l'invention sur l'évolution de l'angle minimal de décrochage d'une goutte d'eau selon la dose; En abscisse on trouve la dose, en ordonnée l'angle de décrochage minimal exprimé en degré. - les figures 4.a à 4.b illustrent la formation du givre sur le bord d'attaque d'une aile, notamment traité 10 selon l'invention ; - les figures 5.a à 5.b illustrent la formation du givre sur le bord de fuite sur le bord de fuite d'une aile, notamment traité selon l'invention ; Selon des exemples de mise en oeuvre de la présente 15 invention, des échantillons de composite en résine thermodurcissable époxyde renforcée par un tissu de carbone ont fait l'objet d'études pour un traitement avec des ions azote émis par une source RCE. De telles surfaces présente un porosité max de 2%, en moyenne de 0,5% dont 0,1% 20 débouchant. Le faisceau d'ions d'une intensité de 7 mA comprend des ions N+, N2+, N3+; la tension d'extraction et d'accélération est de 45 kV ; l'énergie de N+ est de 45 keV et celle de N2+ de 90 keV, N3+ de 145 keV. 25 l'échantillon à traiter se déplace par rapport au faisceau avec une vitesse de déplacement VD comprise entre 0,1 et 1000 mm/s, dans le cas présent à 40 mm/s avec un pas d'avancement latéral à chaque retour de 1 mm. Pour atteindre la dose nécessaire le traitement se fait en plusieurs 30 passes. L'hydrophobie de la surface, peut être évaluée en déposant une goutte d'eau sur la surface. La figure 1.a représente une goutte de d'eau en équilibre sur une surface plane. Il est possible en mesurant l'angle de contact(A) de quantifier l'hydrophobie de la surface avec l'eau. Plus l'angle de contact est élevé, plus l'hydrophobie de la surface est élevée. Lorsque l'angle de contact est inférieur à 90°, la surface est hydrophile. Si l'angle de contact est supérieur à 90°, la surface est hydrophobe. Des tests ont été faits en déposant des gouttes d'eau sur les surfaces traitées par le procédé de l'invention pour des doses allant de 1016 ions/cm2 à 3,5x1016 ions/cm2. Les figures 1.b, 1.c, 1.a montrent des profils de goutte d'eau déposée sur le matériau composite vierge ou traité selon le procédé de l'invention avec différentes doses. L'angle de contact croit avec la dose. On observe clairement le raidissement de l'angle de contact en augmentant la dose. Sur l'échantillon de matériau composite vierge de la figure 1.b on mesure un angle de contact de 65 ° environ , pour l'échantillon de la figure 1.c traité avec une dose estimée de 1016 ions/cm2 on mesure un angle de contact de 71 ° environ, enfin pour l'échantillon de la figure 1.d traité avec une dose estimée de 2x1016 ions/cm2, on mesure un angle de contact de 85°environ . On passe ainsi d'un comportement hydrophile a un comportement hydrophobe. Le tableau 1 rassemble l'ensemble des résultats 25 moyennés. Doses estimées Angle de contact moyen (°) (1016ions/cm2) 0 65,4 1 72,2 1,5 86,2 2 81 2,5 87,3 3 83,2 3,5 84,5 Tableau 1 Il existe une gamme de doses possibles pour atteindre un caractère hydrophobe. La dose minimale obtenue par cette étude est de 1,5x1076 ions/cm2. Les résultats de ce tableau sont représentés sur la figure 2. Les forces d'interaction d'une goutte d'eau sur une surface peuvent être évaluées en mesurant l'angle de décrochage de la goutte sur la surface. La fig 3.a représente un dispositif permettant la mesure de l'angle de décrochage. La goutte est placée sur un échantillon dont on peut faire varier l'angle d'inclinaison par rapport au plan horizontal On augmente très progressivement l'angle (A). Le poids P de la goutte se transforme en une force tangentielle Fg qui a pour effet de faire glisser la goutte sur le plan incliné lorsque l'angle (A) est supérieur à un angle de décrochage minimal qui est caractéristique de la force d'adhésion de la goutte sur l'échantillon. Les résultats sont synthétisés dans le tableau 2. Doses estimées Angle de décrochage minimal (1016ions/cm2) (°) 0 69,2 1 60, 5 1, 5 40, 0 2 44,5 2,5 43,320 3 58,2 3,5 51,7 Tableau 2 On constate que les échantillons traités selon le procédé de l'invention présentent des angles de décrochage inférieurs de 20 °à l'angle de décrochage de l'échantillon vierge. Cela signifie que la force nécessaire pour faire glisser la goutte d'eau est plus faible. Cette force de glissement Fg correspond au poids de P de la goutte projeté sur le plan de glissement : Fg = P x sin (A) . En appliquant cette règle on estime que la force de glissement de la goutte pour l'échantillon vierge est égale à P x sin(70°) et pour une dose de 1,5x1016 ions/cm2 égale à P x sin(50°), soit une diminution de l'adhérence d'environ 30% de la goutte sur le matériau composite traité. Sans vouloir être lié par une quelconque théorie scientifique, on peut penser que le bombardement des ions dans les conditions selon l'invention provoque la réticulation de la surface de la matrice polymère du composite. Cette réticulation augmente le caractère apolaire de la surface qui ainsi développe moins d'interaction avec l'eau qui est un liquide polaire. Ceci se traduit alors par un renforcement du caractère hydrophobe et une diminution de l'accroche de l'eau sur le composite. La figure 3.b représente l'évolution de l'angle de 25 décrochage minimal selon la dose du procédé de l'invention. Les figures 4.b et 4.a représentent les zones de formation du givre sur une surface traitée (Zgt) ou vierge (Zgv)selon le procédé de l'invention. La zone de la surface traitée ou les gouttes d'eau peuvent s'accrocher se limite à 30 la partie haute du bord d'attaque(Zgt) qui est aussi celle ou l'inclinaison par rapport au sol est la plus faible. Sur la surface vierge cette zone est plus vaste, elle englobe la zone précédente et s'étend sur une portion plus basse du bord d'attaque(Zgv), donc plus inclinée par rapport au sol. Les figures 5.a et 5.b représentent le processus de givrage secondaire qui a pour effet de réduire la portance d'un avion. Lorsque le givre dans la zone (Zgvl) du bord d'attaque vierge se décolle, soit par réchauffement soit par la pression de l'air produite par le déplacement de l'avion, il se déplace vers le bord de fuite pour y adhérer fortement dans la zone (Zgv2) . La modification du profil aérodynamique a pour effet de réduire la portance de l'avion, d'augmenter sa consommation ou pire d'entraîner sa chute. Sur le bord d'attaque traité, le givre se décolle avec une force de pression moindre dans la zone (Zgtl), et glisse plus facilement pour être aussitôt évacué par le flot d'air (Zgt2). REVENDICATIONS1. Procédé de traitement par un faisceau d'ions d'un matériau composite recouvert ou non d'une peinture caractérisé en ce qu'il consiste en un bombardement ionique où : - les ions du faisceau d'ions sont sélectionnés parmi les ions des éléments de la liste constituée de l'hélium (He), du bore (B), du carbone (C), de l'azote (N), de l'oxygène (0), du néon (Ne), de l'argon (Ar), du krypton (Kr), du xénon (Xe) ; - la tension d'accélération des ions est supérieure ou égale à 10 kV et inférieure ou égale à 1000 kV ; - la température du matériau composite ou de la 15 peinture qui le recouvre est inférieure ou égale à 180°C; - on choisit la dose d'ions par unité de surface dans une plage comprise entre 1012 ions/cm2 et 1018 ions/cm2 de manière à réticuler le matériau composite pour augmenter l'angle de contact d'une goutte d'eau d'au moins 5°. 20 2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la dose d'ions par unité de surface est comprise entre 1014 ions/cm2 et 5 1017 ions/cm2. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la tension d'accélération 25 des ions est comprise entre 20 kV et 200 kV. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce la réticulation du matériau composite ou de la peinture est mise en oeuvre avec des ions légers, choisis parmi les ions des éléments de la liste 30 constituée de l'hélium (He), du bore (B), du carbone (C), de l'azote (N), de l'oxygène (0), du néon (Ne). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau composite est mobile par rapport au faisceau d'ions à une vitesse, VD, comprise entre 0,1 mm/s et 1000 mm/s. 6. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'une même zone du matériau composite est déplacée sous le faisceau d'ions selon une pluralité, N, de passages à la vitesse V0. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau composite est constituée d'une matrice polymère choisit parmi la liste des résine époxyde, polyester, phénolique, polyimide ou de la mélamine. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que matériau composite est constitué d'un renfort choisi parmi la liste constituée des fibres de verre, des fibres polymères, des fibres de carbone, des renforts minéraux, des fibres métalliques, des fibres céramiques. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la peinture appartient à la famille polyuréthane.