Brevet FR2949236A1 — publié le 20110225

La présente invention se rapporte à un matériau anti-glace à destination notamment d'équipements aéronautiques. Un avion est propulsé par un ou plusieurs ensembles propulsifs comprenant chacun un turboréacteur logé dans une nacelle tubulaire. Chaque ensemble propulsif est rattaché à l'avion par un mât situé généralement sous une aile ou au niveau du fuselage. Une nacelle présente de manière générale une structure comprenant une entrée d'air en amont du moteur, une section médiane destinée à entourer une soufflante du turboréacteur, une section aval abritant éventuellement des moyens d'inversion de poussée et destinée à entourer la chambre de combustion du turboréacteur, et est terminée par une tuyère d'éjection dont la sortie est située en aval du turboréacteur. L'entrée d'air comprend, d'une part, une lèvre d'entrée adaptée pour permettre une captation optimale vers le turboréacteur de l'air nécessaire à l'alimentation de la soufflante et des compresseurs internes du turboréacteur, et d'autre part, une structure aval sur laquelle est rapportée la lèvre et destinée à canaliser convenablement l'air vers les aubes de la soufflante. L'ensemble est rattaché en amont d'un carter de la soufflante appartenant à la section amont de la nacelle. En vol, selon les conditions de température et d'humidité, de la glace peut se former sur la nacelle au niveau de la surface externe de la lèvre d'entrée d'air. La présence de glace ou de givre modifie les propriétés aérodynamiques de l'entrée d'air et perturbe l'acheminement de l'air vers la soufflante. On notera notamment que la formation de glace entraîne entre autre : modification de la masse de l'ensemble propulsif, déséquilibre entre les parties babord et tribord et, dans le cas particulier des entrées d'air de moteurs, la formation de blocs de glace susceptibles de pénétrer dans le moteur et de causer des dégâts considérables. Pour pallier la formation de glace ou de givre, une première solution consiste à éviter que la glace puisse se former sur cette surface externe (antigivrage). Une deuxième solution est de laisser la glace ou le givre se former sur la lèvre jusqu'à une certaine épaisseur et de l'évacuer par des moyens permettant d'éliminer la glace ou le givre ainsi formé (dégivrage). L'antigivrage est nécessaire en particulier dans le cas de moteurs comprenant des parties en matériaux composites, telles que les aubes de soufflante : dans un tel cas, il faut supprimer au maximum tout risque d'arrivée de glace dans le moteur, les matériaux composites étant sensibles à de tels chocs. Une première solution d'antigivrage consiste à maintenir la surface 5 externe exposée au givre à une température suffisante pour éviter cette formation de glace ou de givre. Ce résultat peut être atteint par prélèvement d'air chaud au niveau du compresseur du turboréacteur pour l'amener au niveau de la lèvre d'entrée d'air et en réchauffer les parois. Un tel dispositif nécessite toutefois un système 10 de conduits d'amenée d'air chaud entre le turboréacteur et l'entrée d'air ainsi qu'un système d'évacuation de l'air chaud au niveau de la lèvre d'entrée d'air, ce qui augmente la masse, la traînée et la consommation de carburant de l'ensemble propulsif et n'est donc pas souhaitable. Le même résultat peut également être atteint en équipant la 15 surface externe de moyens de chauffage électriques qui pourront, par exemple, être intégrés dans ladite paroi. Cette solution nécessite toutefois la présence d'un réseau électrique au niveau de l'entrée d'air et présente un degré de contrôle et de maintenance important des résistances électriques chauffantes. De plus, les 20 résistances électriques doivent être alimentées quasiment en continu lors du vol. Afin de protéger les résistances chauffantes, il convient généralement de prévoir un revêtement de protection anti-érosion, ce revêtement n'étant généralement pas en adéquation avec la qualité de surface 25 demandée pour la paroi externe de la lèvre d'entrée d'air. En cas de recouvrement partiel de la lèvre, un tel revêtement entraînera une discontinuité néfaste à la ligne aérodynamique de l'entrée d'air. De plus, un tel revêtement contribue à augmenter l'épaisseur totale de la lèvre ce qui peut entraîner une dégradation des performances d'atténuation acoustique, celles-ci étant liées à 30 l'épaisseur de la lèvre d'entrée d'air. Afin de résoudre au moins en partie les inconvénients mentionnés ci-dessous, les industriels ont cherché à développer des revêtements antiglace, c'est-à-dire présentant des propriétés physico-chimiques intrinsèques les rendant non favorables à la formation de glace, notamment grâce à leurs 35 propriétés hydrophobes. En effet, les matériaux utilisés pour dans la fabrication aéronautique, notamment les matériaux composites de type carbone / epoxy, les métaux et alliages métalliques notamment à base d'aluminium ou de titane par exemple ne possèdent pas de propriétés hydrophobes et antiglace particulières et il convient donc de les recouvrir d'un revêtement approprié possédant les propriétés recherchées. Les objectifs de tels revêtements sont principalement, d'une part, de limiter l'épaisseur de la glace pouvant se former et qui ne doit généralement pas dépasser une épaisseur de 2 mm, et d'autre part, présenter une énergie de surface faible entre ledit revêtement anti-glace et la couche glace de manière à favoriser son décollement et évacuation. Des exemples de tels revêtements sont mentionnés notamment dans la demande FR 2 922 522 au nom de la demanderesse. La présence de tels revêtements n'est toutefois pas sans 15 inconvénients. Tout d'abord, toute couche supplémentaire représente une masse supplémentaire et n'est donc pas souhaitable. Ensuite, l'application de ces couches est difficile et doit être réalisée de manière à entraîner le moins d'irrégularités de surface possible afin 20 de conserver des propriétés aérodynamiques optimales. On constate encore qu'une couche supplémentaire présente toujours des risques de délamination et qu'elle doit pouvoir accrocher suffisamment au matériau constituant la structure à protéger. II convient notamment de noter à ce sujet que l'autorité 25 aéronautique américaine (FAA : administration fédérale de l'aviation) considère dans sa circulaire AC 20-73A, et notamment au chapitre H, que les produits existants s'érodent et que les surfaces traitées doivent être certifiées comme s'il n'y avait aucun revêtement. En effet, actuellement, il n'existe pas de revêtement antiglace 30 satisfaisant aux critères de certification aéronautique à savoir notamment pouvoir tenir à la vitesse de vol de l'avion (environ Mach 0,8) et résister à des impacts de sable ou autres. Actuellement, il serait nécessaire de refaire la couche antiglace après chaque vol. Par ailleurs, l'efficacité de ces couches n'est donc pas constante et 35 varie grandement en fonction de leur érosion, ce qui ne permet pas de les considérer comme un équipement fiable permettant d'assurer seul sa fonction, mais seulement comme un équipement additionnel. La présente invention vise à proposer une solution permettant de pallier les inconvénients précédemment mentionnés et consiste pour ce faire en une utilisation d'un procédé d'implantation ionique dans une surface d'un matériau pour modifier les propriétés de surface dudit matériau afin de réaliser une surface hydrophobe, notamment anti-glace. L'implantation ionique est un procédé d'ingénierie des matériaux. Le procédé d'implantation ionique est utilisé pour implanter les ions d'un matériau dans un autre solide, ce qui permet d'en modifier les propriétés, notamment mécaniques. Parmi les documents décrivant des procédés d'implantation ioniques, on pourra se reporter notamment aux documents FR 2 876 391, FR 2 896 515 ,WO 2008/050071, WO 2008/047049, WO 2008/043964, WO 2008/037927, WO 2005/085491, FR 2 899 242. Un tel procédé est largement utiliser pour améliorer la dureté du matériau implanté et plus généralement leur résistance aux agressions de surface (mécanique et/ou chimique). Il a été constater de manière surprenant qu'un tel procédé pouvait également être utilisé pour modifier des propriétés physico-chimiques plus fines, et notamment pour réaliser un traitement de surface visant à rendre la surface traitée hydrophobe. Selon une première variante, le procédé d'implantation ionique est utilisé pour l'implantation d'ions d'hélium. Selon une deuxième variante, le procédé d'implantation ionique est utilisé pour l'implantation d'ions d'azote. Selon une troisième variante, le procédé d'implantation ionique est utilisé pour l'implantation d'ions d'oxygène. Avanteusement, le procédé d'implantation ionique utilise des ions multiénergie. L'utilisation d'ions multiénergie permet des implantations à des profondeurs différentes à partir d'une même source et d'une même tension d'accélération, l'énergie de l'ion implanté étant proportionnelle à sa charge. Il est toutefois bien évidemment possible de modifier la profondeur d'implantation en faisant varier la tention d'accélération des ions sans modifier la charge de l'ion. La présente invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'une structure possédant une surface hydrophobe anti-glace, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape visant à utiliser un procédé d'implantation ionique selon l'invention. Avantageusement, le procédé de fabrication comprend plusieurs étapes d'implantation ionique selon l'invention. La succession d'étapes d'implantation permettra d'implanter plusieurs types d'ions différents dans le matériau traité et/ou le même type d'ions à des énergies d'extraction différentes. De manière préférentielle, les ions sont implantés dans une couche superficielle du matériau dans une concentration atomique comprise entre 20 et 40%. De manière préférentielle, les ions sont implantés avec une énergie comprise entre 10 et 200 keV, de préférence 10 à 100 keV. En effet, plus 15 l'énergie d'implantation est importante, plus cette même implantation risque de provoquer des dommages structurels dans la surface traitée. De manière préférntielle encore, les ions sont implantés sur une profondeur comprise entre 3 micromètres et 200 micromètres. La présente invention se rapporte encore à une structure 20 possédant une surface anti-glace, caractérisée en ce que ladite surface peut être obtenue par un procédé selon l'invention. Avantageusement, la structure est une structure de nacelle de turboréacteur. Avantageusement encore, la structure est une structure de lèvre 25 d'entrée d'air. Selon un premier mode de réalisation préféré, la structure est principalement réalisée en matériau composite, notamment de type carbone / époxy. Selon une deuxième mode de réalisation préféré, la structure est 30 principalement réalisée à partir d'au moins un alliage métallique, notamment à base d'aluminium et/ou de titane. De manière préférentielle, la surface traitée présente une mouillabilité telle que la valeur de l'angle de contact d'une goute d'eau est supérieure à 80 degrés, de préférence supérieure à 90 degrés. 35 La présente invention se rapporte enfin à l'utilisation d'un dispositif d'implantation ionique pour la fabrication d'une structure selon l'invention. La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description détaillée qui suit en regard du dessin annexé sur lequel : - La figure 1 est une photo d'une goutte sur un matériau composite de type carbone époxy non traité par implantation ionique. - La figure 2 est une photo d'une goutte sur le matériau composition de la figure 1 traité par implantation ionique. Comme évoqué précédemment, l'implantation ionique est une technique d'ingénierie des matériaux utilisés pour implanter des ions d'un matériau dans un substrat solide, changeant de ce fait, les propriétés physico- chimiques dudit substrat. La technique d'implantation ionique est utilisée de manière habituelle dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteur pour améliorer les propriétés de résistance à l'oxydation, de conductivité, du dureté, etc ... Pour plus de détails sur la technique, celle-ci, ne faisant pas spécifiquement partie de la présente invention, on pourra se reporter notamment aux documents précédemment cités FR 2 876 391, FR 2 896 515 ,WO 2008/050071, WO 2008/047049, WO 2008/043964, WO 2008/037927, WO 2005/085491, FR 2 899 242. De manière générale, un équipement d'implantation ionique se 20 compose d'une source de production d'ions, d'un accélérateur de particules et d'une chambre pour le substrat-cible. L'accélérateur de particule utilise les propriétés électrostatiques de l'ion pour augmenter son énergie. La quantité de matériaux implantée, appelée la dose, est l'intégrale 25 sur le temps du courant ionique. Les courants électriques en jeu dans les implanteurs sont de l'ordre du microampère et ne permettent donc d'implanter qu'une quantité relativement faible d'ions. Cette technique est donc généralement utilisée pour des modifications structurelles de faible ampleur. 30 L'accélération des ions atteint typiquement des énergies allant de 10 à 500 keV. L'énergie d'accélération déterminera la profondeur d'implantation des ions. L'implantation ionique reste donc généralement un traitement de surface. On notera qu'une source d'ions produit généralement des ions de 35 l'atome à implanter avec plusieurs niveaux d'ionisation. Dans le cas de l'hélium, la source d'ions produira des ions He+ et Hel+. Par conséquent, pour une même tension d'extraction, par exemple 50 kV, l'énergie d'implantation des ions He+ sera de 50 keV tandis que l'énergie d'implantation des ions Hel+ sera de 100 keV. La tension d'extraction sera bien évidemment à régler en fonction 5 des niveau d'ionisation souhaité et des profondeurs d'implantation souhaité des ions. Comme énoncé, la présente invention vise à mettre en oeuvre la technique d'implantation ionique en vue de réaliser un traitement antiglace (hydrophobe) sur une pièce aéronautique. 10 Des essais ont été réalisés notamment sur une pièce en matériau composite de type carbone/époxy. Plus précisément, le matériau implanté porte la référence G803/914 c'est-à-dire un tissu de fibres de carbone à 3000 filaments et de type satin de 5 (G803), imprégné avec une résine époxyde de classe 180°C (914). 15 Le matériau a été testé brut et dans une version recouverte d'une peinture polyuréthane anti UV pour la protection des matériaux composites de type LBYH-142 commercialisée par la société Bolloré-Jival. Une fois le matériau traité par implantation ionique, un test de mouillage consistant à mesurer l'angle de contact d'une goutte d'eau sur ledit 20 matériau a été réalisé. Les résultats sont regroupés dans le tableau 1 ci-après. Témoin Témoin peint A B C D 52,90 86 80,30 76,70 90,90 82,80 52,50 85,40 83,10 78,00 90,20 80,40 53,40 88,40 83,50 77,80 93,10 81,50 57,40 88,20 84,70 79,40 94,40 87,10 54,50 87,20 86,80 80,20 97,60 82,10 57,80 84,50 84,60 82,60 97,00 85,60 57,70 84,30 85,60 81,10 97,60 89,70 53,60 85,30 82,70 81,80 94,10 86,40 57,10 88,70 79,80 81,90 88,10 86,70 55,10 84,70 79,50 78,80 90,20 85,00 Moyenne 55,20 86,27 83,06 79,83 93,32 84,73 Ecart Type 2,12 1,71 2,51 2,00 3,41 2,94 Tableau 1 Témoin : Matériau composite non peint et non traité par 5 implantation. Témoin peint : Matériau composite peint mais non traité par implantation ionique. Echantillon A : Matériau composite non peint et traité par implantation ionique. Implantation d'ions Hélium, faible dose. 10 Echantillon B : Matériau composite non peint et traité par implantation ionique. Implantation d'ions Hélium, forte dose. Echantillon C : Matériau composite peint et traité par implantation ionique. Implantation d'ions Hélium, faible dose. Echantillon D : Matériau composite peint et traité par implantation' 15 ionique. Implantation d'ions Hélium, forte dose. Ces essais ont été réalisés en utilisant une tension d'extraction des ions autour de 50 kV. On rappelle que le terme � dose � se rapporte à la quantité d'ions implantés dans le matériau et est donc lié au temps d'exposition du matériau 20 dans le faisceau d'ions accélérés. Les conditions d'expérience correspondent à une densité d'ions comprise sensiblement entre 1016 et 1017 ions par centimètre carré. Le terme � faible dose � correspond donc à une exposition brève du matériau, à savoir quelques secondes, alors qu'une � forte dose � correspond à une exposition du matériau au faisceau d'ions plus longue approchant la dizaine de seconde. Toutefois, en raison des matériaux testés, inhabituels, pour les procédés d'implantation ioniques, les techniques habituelles (microscope électronique à balayage notamment) de mesure de la concentration d'ions implantés dans le matériau se sont avérées être inadaptées. Les résultats permettent de constater clairement une augmentation de l'angle de contact, ce qui signifie une augmentation des propriétés hydrophobes. Ainsi, on constate notamment que pour une surface composite non peinte, la valeur d'angle de contact passe d'environ 55 degrés pour une surface non traitée environ 80 degrés après traitement par implantation ionique d'ions hélium. Les figures 1 et 2 sont des photos d'une goutte d'eau sur une surface composite telle que testée, respectivement brute et traitée par implantation ionique. L'augmentation de l'angle de contact est frappant. On notera toutefois également qu'une implantation avec une faible concentration d'ions d'hélium donne de meilleurs résultats qu'une implantation avec une forte concentration et qu'il existe donc un optimum d'implantation. Bien évidemment, cet optimum dépend du matériau implanté, des ions implantés dans le matériau, et de l'énergie d'implantation. On rappelle également que l'énergie d'implantation modifie la profondeur d'implantation des ions. Une forte énergie d'implantation permettra une implantation des ions plus profondément dans le matériau tandis qu'une faible énergie d'implantation permettra une implantation plus proche de la surface. La profondeur d'implantation optimale pourra notamment dépendre de l'hydrophobie naturelle du matériau ainsi que de sa structure de surface. Il conviendra donc de manière générale de trouver un équilibre entre les conditions d'implantation (matériau, ions implantés, énergie d'implantation, temps d'exposition, ...) et les propriétés hydrophobes souhaitées. Plus particulièrement, on notera que les couches les plus proches de la surface sont naturellement plus fragiles et sensibles à l'érosion, notamment. L'implantation est donc susceptible d'avoir une durée de vie plus faible. C'est la raison pour laquelle il pourra être intéressant d'implanter des ions avec plusieurs énergies afin qu'en cas d'érosion, les zones érodées découvrent des zones également implantées. L'amélioration des propriétés hydrophobe est également constatée pour une surface peinte, même si l'augmentation est moindre notamment en raison des propriétés déjà hydrophobes de la peinture polyuréthane. Par ailleurs, on rappelle que l'implantation ionique est un traitement de surface, il convient donc de prendre en compte l'épaisseur de la couche de peinture. Comme pour un matériau non peint, il conviendra de prévoir l'érosion de la couche de peinture et d'implanter à plusieurs profondeurs avec plusieurs énergies d'accélération. Dans le cadre d'une application aéronautique, on pourra donc fabriquer une pièce puis la traiter selon le procédé d'implantation ionique en vue d'améliorer ses propriétés hydrophobes. Ce procédé est particulièrement intéressant pour les lèvres d'entrée d'air et les bords d'attaque réalisés notamment en matériaux composites. Bien que les tests décrit portent sur l'implantation d'ions hélium dans un matériau composite carbone I époxy éventuellement recouvert de peinture polyuréthane, le type de matériau implanté n'est pas limité. De même le type d'ions implantés n'est pas limité et dépendra des propriétés d'hydrophobie souhaité ainsi que du matériau implanté (tailles de l'ion implanté, tenue dans la structure du matériau implanté, hydrophobie de l'ion implanté L'homme du métier pourra déterminer des combinaisons de paramètres ions implantés / matériau implanté / énergie d'implantation / temps d'exposition, par expérimentation. On pourra notamment utiliser outre des ions hélium, des ions azote et oxygène. Comme précédemment mentionnés, l'implantation pourra être multiénergie afin d'implanter des ions à des profondeurs différentes. L'implantation multiénergie pourra être réalisée en une ou plusieurs étapes d'implantation. Outre des matériaux composites carbone / époxy, le procédé 35 d'implantation ionique peut être mis en oeuvre avec d'autre types de matériaux composites, mais également avec des matériaux métalliques et alliage, notamment dans l'aéronautique, à base d'aluminium et/ou de titane. Bien que l'invention ait été décrite avec un exemple particulier de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Utilisation d'un procédé d'implantation ionique dans une surface 5 d'un matériau pour modifier les propriétés de surface dudit matériau afin de réaliser une surface hydrophobe, notamment anti-glace. 2. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le procédé d'implantation ionique est utilisé pour l'implantation d'ions hélium. 3. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le procédé d'implantation ionique est utilisé pour l'implantation d'ions d'azote. 4. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le 15 procédé d'implantation ionique est utilisé pour l'implantation d'ions d'oxygène. 5. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le procédé d'implantation ionique utilise des ions multiénergie. 6. Procédé de fabrication d'une structure possédant une surface hydrophobe anti-glace, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape visant à utiliser un procédé d'implantation ionique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs étapes d'implantation ionique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 30 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que les ions sont implantés dans une couche superficielle du matériau dans une concentration atomique comprise entre 20 et 40%. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, 35 caractérisée en ce que les ions sont implantés avec une énergie comprise entre 10 et 200 keV, de préférence 10 à 100 keV. 10 20 25 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que les ions sont implantés sur une profondeur comprise entre 3 micromètres et 200 micromètres. 11. Structure possédant une surface anti-glace, caractérisée en ce que ladite surface peut être obtenue par un procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10. 10 12. Structure selon la revendication 11, caractérisée en ce que la structure est une structure de nacelle de turboréacteur. 13. Structure selon la revendication 12, caractérisée en ce que la structure est une structure de lèvre d'entrée d'air. 14. Structure selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisée en ce qu'elle est principalement réalisée en matériau composite, notamment de type carbone / époxy. 20 15. Structure selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisée en ce qu'elle est principalement réalisée à partir d'au moins un alliage métallique, notamment à base d'aluminium et/ou de titane. 16. Structure selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, 25 caractérisée en ce que la surface traitée présente une mouillabilité telle que la valeur de l'angle de contact d'une goute d'eau est supérieure à 80 degrés, de préférence supérieure à 90 degrés. 17. Utilisation d'un dispositif d'implantation ionique pour la 30 fabrication d'une structure selon l'une quelconque des revendications 11 à 16. 15