Brevet FR2975864A1 — publié le 20121130

L'invention concerne un semi-produit sous la forme d'une bande conductrice intégrable dans un matériau composite stratifié. L'invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, applicable dans le domaine aéronautique pour la réalisation d'éléments constitués de matériaux composites renforcés par un renfort fibreux dans une matrice constituée d'un polymère, afin de conférer à ces éléments de structure des capacités de conduction électrique. Des éléments structuraux constitués d'un matériau composite stratifié à renfort fibreux et présentant, par ailleurs, des propriétés de conduction électrique sont décrits dans l'art antérieur et notamment dans le document FR-A-2924894. Ce document divulgue une pièce structurale stratifiée comprenant, entre deux plis de renfort fibreux, une couche comportant un réseau de câbles conducteurs. Ledit document décrit également un procédé d'obtention d'un tel élément structural, dans lequel des couches de câbles conducteurs sont insérées entre une ou plusieurs paires de plis structuraux, de sorte à constituer une préforme sèche, l'ensemble étant ensuite imprégné d'une résine par un procédé de transfert de résine afin d'en constituer la matrice et d'apporter la cohésion du matériau composite. Ce procédé d'obtention par transfert de résine n'est cependant pas adapté, ou s'avère peu productif, pour certaines pièces notamment les pièces de faible épaisseur et de grande dimension, telles que des panneaux de fuselage, où un tel procédé ne peut rivaliser, en termes de productivité, notamment avec des procédés mettant en oeuvre le drapage de plis pré-imprégnés. Afin de résoudre les inconvénients de l'art antérieur, l'invention propose un semi-produit, notamment sous la forme d'une bande, apte à être déposé par drapage pour la constitution d'un matériau composite stratifié lequel semi-produit comprend selon une section transversale et sur toute sa longueur : a. une première couche conductrice constituée d'un matériau électriquement conducteur ; b. deux couches isolantes électriquement constituées d'un matériau diélectrique enserrant complètement la bande conductrice et dont la largeur en section est supérieure à la largeur de la bande conductrice ; c. deux couches de liaison s'étendant en épaisseur de part et d'autre des couches isolantes à l'extérieur du semi-produit. Ainsi, le semi-produit selon l'invention comprend des couches de liaison permettant, d'une part, d'assurer la liaison dudit semi-produit avec une préforme au moment du drapage, et d'autre part, la cohésion de la couche conductrice avec l'ensemble de la stratification du matériau composite, lors de la cuisson ou de la consolidation de l'empilement constituant la pièce dans laquelle est intégrée ladite couche conductrice. Ainsi, une telle pièce, intégrant une couche conductrice, peut être réalisée par des techniques de drapage manuelles ou automatisées, mettant en oeuvre des plis pré-imprégnés. L'invention peut être mise en oeuvre selon les modes de réalisation avantageux, exposés ci-après, lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Avantageusement, les couches isolantes sont constituées d'un élastomère partiellement vulcanisé. Outre le fait d'assurer l'isolation électrique de la couche conductrice, cette couche d'élastomère confère à la pièce stratifiée comportant une couche conductrice, intégrée dans ladite pièce par l'intermédiaire d'un semi-produit selon l'invention, des capacités d'absorption vibro-acoustique et une aptitude à la protection mécanique de la dite couche conductrice. La vulcanisation partielle des couches isolantes permet de parfaire cette vulcanisation lors de la cuisson de la pièce stratifiée intégrant le semi-produit selon l'invention, et d'assurer ainsi une forte cohésion de la couche conductrice avec le reste de la pièce. Avantageusement, les couches de liaison sont constituées d'une colle thermodurcissable. Ainsi, le semi-produit présente une pégosité adéquate pour son dépôt par drapage sur une préforme. Selon un mode de réalisation particulier, les couches de liaisons sont constituées d'un polymère thermoplastique. Cette caractéristique améliore la tenue à l'impact et aux sollicitations thermiques de l'ensemble du stratifié dans lequel un tel semi-produit est intégré. Selon ce mode de réalisation particulier, le polymère thermoplastique comporte du polyétherimyde ou PEI. Ce polymère étant au moins partiellement miscible dans de nombreuses résines thermodurcissables et thermoplastiques, cette caractéristique permet d'assurer une forte cohésion de la couche conductrice avec le reste de la pièce composite stratifiée Selon un autre mode de réalisation avantageux, les couches isolantes et les couches de liaison sont constituées d'une résine thermodurcissable partiellement polymérisée. Ainsi, le semi-produit objet de l'invention s'intègre parfaitement par drapage dans une stratification de plis pré-imprégnés d'une telle résine thermodurcissable. La polymérisation partielle permet à la fois de conserver la cohésion du semi-produit objet de l'invention au cours du drapage mais aussi de conserver à celle-ci la souplesse nécessaire à cette opération de drapage. Selon un mode de réalisation, alternatif au précédent, les couches isolantes et les couches de liaison sont constituées d'un élastomère thermoplastique comprenant du polyétherimyde (PEI). Ainsi, le semi-produit objet de l'invention est apte à être intégré dans une stratification constituant un composite à matrice thermoplastique ou thermodurcissable. Selon une première variante du semi-produit objet de l'invention, compatible avec tous les modes de réalisation précédents, la couche conductrice est constituée d'un clinquant métallique. La finesse d'un tel clinquant permet à la bande d'épouser tout type de forme y compris des formes en double courbure. Avantageusement, ledit clinquant métallique est constitué d'un alliage d'aluminium qui peut être obtenu par laminage en épaisseur extrêmement fine et présente une faible masse volumique. Selon une deuxième variante, également compatible avec les modes de réalisation précédents, la couche conductrice est constituée d'une pluralité de conducteurs métalliques isolés électriquement les uns des autres. Ainsi, d'une part, plusieurs signaux électriques différents peuvent être transmis dans chacun des conducteurs et la séparation latérale des conducteurs entre eux permet d'utiliser des conducteurs plus épais sans nuire à la capacité de mise en forme du semi-produit. L'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'un tel semi-produit selon les différents modes de réalisation, lequel semi-produit comprend des couches isolantes en élastomère, ledit procédé comprenant les étapes consistant à : a recouvrir par une opération de calandrage une bande de matériau électriquement conducteur par deux couches d'élastomère cru ; b vulcaniser l'ensemble constitué lors de l'étape précédente ; c conditionner l'ensemble sous la forme d'un rouleau apte à être utilisé dans une machine à draper. Ainsi, le procédé objet de l'invention permet de fabriquer de manière automatique de grandes quantités de semi-produit, conditionné sous forme de bandes ou de bobines, lesquelles bobines peuvent être stockées et intégrées autant que de besoin à des stratifiés constituant des pièces en matériau composite. L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 3, dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en éclaté et en section selon une coupe A-A, définie figure 2, de deux exemples de réalisation d'un semi-produit selon l'invention, figure 1A, selon une variante de réalisation comprenant un clinquant comme couche conductrice et figure 1B selon une variante de réalisation où cette couche conductrice comprend une pluralité de conducteurs ; - la figure 2 représente selon une vue en élévation, un semi-produit selon une variante de réalisation de l'invention comportant une pluralité de conducteurs dans la couche conductrice ; - et la figure 3 est un synoptique d'un exemple de procédé de réalisation en continu d'un semi-produit selon l'invention. Figure 1, selon un premier exemple de réalisation d'un semi-produit (101, 102) objet de l'invention, celle-ci comprend, au coeur, une couche conductrice (105, 106) qui, selon une première variante (101) de réalisation, peut être constituée d'un clinquant (105) métallique, figure 1A, ou, selon une deuxième variante (102), constituée d'une pluralité (106) de conducteurs, figure 1B disposés en nappe, préférentiellement sous la forme de câbles métalliques dits plats. Cette couche conductrice (105, 106) est enserrée entre deux couches (121, 122) isolantes, constituées d'un matériau diélectrique, préférentiellement, mais non exclusivement, un élastomère. Avantageusement, le semi-produit (101, 102) selon l'invention comprend deux couches (111, 112) dites couches de liaison présentant des caractéristiques d'interface rendant ledit semi-produit (101, 102) apte au drapage sur une machine à draper automatique et apte à former une interface cohésive avec des couches de renfort fibreux pré-imprégnées à la suite d'une opération de cuisson ou de consolidation. Lesdites couches de liaison (111, 112) peuvent être des couches rapportées sur les couches isolantes, par imprégnation de ces couches à chaud ou à froid, ou faire partie intégrante desdites couches isolantes. Les dites couches isolantes (121, 122) doivent être suffisamment épaisses pour assurer une isolation électrique totale de la couche conductrice (105, 106) de son environnement dans le produit fini, c'est-à-dire après que le semi-produit (101, 102) objet de l'invention ait subi un drapage en forme, pour l'insérer au coeur d'un stratifié, puis une opération de cuisson ou de consolidation à haute température et sous pression. Cette isolation doit être totale et effective, surtout pour des hautes tensions, de l'ordre de 3000 volts. Ainsi, les couches isolantes (121, 122) doivent également être étanches, mais conserver une souplesse suffisante pour pouvoir autoriser la mise en rouleau du semi-produit (101, 102) en vue de son installation sur une machine à draper automatique, et pouvoir subir une opération de déroulage-pressage sur la préforme sans que l'intégrité desdites couches ne soit dégradée par ces sollicitations mécaniques. Finalement, une fois placée dans le produit fini au sein d'un empilement de plis renforcés par des fibres à haute performance, le semi-produit (101, 102) objet de l'invention doit assurer le transfert des charges mécaniques entre les plis situés de part et d'autre dudit semi-produit, sans constituer une zone faible dans l'empilement et sans perdre son intégrité vis-à-vis de ses propriétés d'isolation électrique et d'étanchéité. La réponse à l'ensemble de ces spécifications conduit à des propriétés contradictoires. Ainsi, un transfert effectif des efforts au travers du semi-produit intégré dans le produit fini conduit à privilégier la rigidité de la bande, alors que les propriétés d'absorption vibro-acoustiques et protectrices des conducteurs conduisent à en privilégier la souplesse. Les conditions dépendent également de l'épaisseur du semi-produit (101, 102) et par conséquent de la section de la couche conductrice (105, 106) au coeur dudit semi-produit. Ainsi, selon un exemple de réalisation, figure 1A, la couche conductrice (105) est constituée d'un clinquant. Ledit clinquant (105) peut être constitué d'une feuille de cuivre ou d'un alliage d'aluminium. Ledit clinquant (105) étant fin, il se prête facilement aux opérations de drapage. À titre d'exemple non limitatif, le clinquant a une largeur de 20 mm, ce qui, pour une section conductrice de 1 mm2 conduit à une épaisseur (135) dudit clinquant de 0,05 mm. Ce clinquant de faible épaisseur peut être inséré dans de fines couches de résine, ainsi, les couches isolantes (121, 122) peuvent être constituées d'une résine thermodurcissable, partiellement polymérisée. Cette polymérisation partielle, plaçant ladite résine dans un état dit mi-cuit, permet de conserver à ladite résine une certaine pégosité, de sorte que les couches de liaison (111, 112) sont constituées par l'extérieur des couches isolantes (121, 122). La souplesse de la bande est alors suffisante pour être drapée, mais d'une rigidité suffisante pour soutenir ledit clinquant et éviter qu'il ne se froisse durant ces opérations de drapage. La cuisson ultérieure de la stratification correspondant à la pièce finie permet, par la polymérisation de l'ensemble, de réaliser une liaison fortement cohésive du semi-produit (101) avec le reste de la pièce. Selon un autre exemple de réalisation, figure 1 B, la couche conductrice (106) est constituée d'une pluralité de conducteurs, par exemple sous la forme de câbles dits plats. Cette configuration permet de faire transiter différents signaux dans chacun des conducteurs. En contrepartie, la section de chaque conducteur doit être suffisante individuellement de sorte que, comparativement au clinquant (105), cette solution technique conduit à une épaisseur (136) nettement supérieure de chacun des conducteurs. À titre d'exemple, non limitatif, chaque câble plat ayant une largeur (146) de 2 mm, une section conductrice de 1 mm2 est obtenue pour une épaisseur (136) de conducteurs de 0,5 mm. Aussi, ce mode de réalisation conduit à une épaisseur de semi-produit (102) nettement plus élevée. Par ailleurs, figure 2, chaque câble plat doit être éloigné transversalement de son voisin, d'une distance (246) suffisante, typiquement du même ordre de grandeur que la largeur (146) du câble. Cette distance doit également être comblée par les couches (121, 122) isolantes. En revenant à la figure 1 B, selon ce mode de réalisation comprenant une couche conductrice (106) comportant une pluralité de conducteurs, les couches (121, 122) isolantes sont avantageusement constituées d'un élastomère partiellement vulcanisé. Ainsi, la souplesse des couches (121, 122) isolantes est contrôlée aux différents stades de la fabrication du semi-produit (102) et de sa mise en oeuvre pour la constitution d'une pièce structurale stratifiée, par le taux de vulcanisation desdites couches (121, 122) isolantes. Figure 3, selon un exemple de fabrication continue du semi-produit objet de l'invention, les conducteurs ou le clinquant sont déroulés depuis un rouleau (306) de grande longueur. Après un traitement de surface continu (310), deux bandes (321, 322) sont rapportées sur lesdits conducteurs ou clinquant par laminage (330) ou calandrage. Avantageusement, les deux bandes (321, 322) sont constituées d'un élastomère cru. Dans cet état cru, les bandes (321, 322) d'élastomère sont très malléables et plastiques et, lors de l'opération de calandrage (330), elles épousent parfaitement les conducteurs (306) et notamment comblent les espaces entre lesdits conducteurs. L'assemblage ainsi réalisé, est ensuite partiellement vulcanisé par le passage dans un poste de cuisson (340). À l'issue de cette vulcanisation partielle, les couches d'élastomère isolantes atteignent une cohésion et un comportement élastique qui permet d'enrouler (350) la bande sur un rouleau pour leur installation sur une machine à draper automatique et la dépose de la dite bande par drapage sur une préforme pégueuse. Après avoir été intégré dans la préforme, le semi-produit, partiellement vulcanisée est cuit ou consolidé avec la dite préforme. Au cours de cette cuisson, selon le taux de vulcanisation des couches (121, 122) isolantes, la rigidité de celles-ci augmente, de sorte qu'un transfert mécanique des efforts peut être réalisé à travers ledit semi-produit. La présence de polyétherimyde dans l'élastomère constituant lesdites couches (121, 122) isolantes, permet une forte cohésion chimique entre le semi-produit objet de l'invention et le reste de la stratification, du fait de la miscibilité au moins partielle de ce polymère tant dans les résines thermoplastiques que les résines thermodurcissables. Ainsi un stratifié très rigide, permet un transfert efficace des efforts de part et d'autre du semi-produit (101, 102) objet de l'invention lorsque celle-ci est intégrée dans la pièce finale. L'élasticité du semi-produit confère à la pièce structurale intégrant ledit semi-produit des capacités d'amortissement vibro-acoustiques. La description ci-avant et les exemples de réalisation montrent que l'invention atteint les objectifs visés, en particulier elle permet la fabrication en continu et de manière économique de semi-produits (101, 102) prêts à être drapés à l'aide d'une machine automatique et intégrables à la demande dans la stratification d'une pièce composite à renfort fibreux, conférant à la dite pièce des capacités d'acheminement d'un signal ou d'une puissance électrique.