Brevet FR2962680A1 — publié le 20120120

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant des couches superposées de fibres électriquement conductrices noyées dans une matrice électriquement isolante. Bien que non exclusivement, la présente invention s'applique plus particulièrement à une pièce, par exemple un panneau, en plastique renforcé en fibres de carbone de type CFRP (« Carbon Fiber Reinforced Plastic» en anglais). Un tel panneau ou une telle pièce peut notamment être utilisé dans le domaine aéronautique, en particulier pour former une paroi d'un aéronef, par exemple d'un avion de transport, et notamment une partie de son fuselage. On sait que, dans le domaine aéronautique, une partie de plus en plus importante des pièces métalliques usuelles d'un aéronef tend à être remplacée par des pièces en matériau composite, en raison des avantages de ces dernières, à savoir notamment : - un gain de masse ; et - de bonnes propriétés mécaniques. Les pièces en matériau composite présentent également d'autres avantages, et en particulier une absence de corrosion et un bon comportement à la fatigue. On sait qu'un aéronef est muni de nombreux câbles électriques qui sont, par exemple, fixés sur les parois de l'aéronef ou agencés à proximité de ces dernières. Aussi, lors d'une usure de la gaine de protection ou lors de la rupture d'un tel câble, il peut se produire un court-circuit avec un contact direct entre le conducteur électrique du câble et le panneau ou paroi en matériau composite situé à proximité. Le courant électrique qui est alors injecté dans le matériau composite peut être à l'origine d'une élévation de température du matériau. Un des paramètres aggravants concernant l'apparition de ces phénomènes est relatif à la répartition du flux de courant électrique dans le matériau composite. En effet, la résine entre les couches de fibres de carbone, qui forme la matrice du matériau composite, isole électriquement ces couches les unes des autres. Il en résulte une densité locale élevée de courant électrique au niveau du contact du câble avec le panneau, qui peut entraîner une augmentation rapide et élevée de la température. Une situation similaire pourrait se présenter lorsqu'un aéronef est foudroyé au niveau d'une partie de fuselage, réalisée en matériau composite. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant des couches superposées de fibres électriquement conductrices, notamment des fibres de carbone, noyées dans une matrice électriquement isolante, qui permet d'obtenir une pièce susceptible de remédier aux inconvénients précités. A cet effet, selon l'invention, ledit procédé de fabrication selon lequel : N on forme un ensemble constitué de couches superposées de fibres électriquement conductrices et séparées par une résine destinée à constituer la matrice ; B/ on réalise un vide autour de cet ensemble ; et CI on soumet cet ensemble sous vide à une compression et une cuisson, est remarquable en ce que, au moins pendant la cuisson, on exerce sur ledit ensemble une pression superficielle engendrant une déformation qui provoque une mise en contact localisée de fibres d'au moins deux couches superposées, sans rupture desdites fibres. Ainsi, grâce à l'invention, on crée une pièce en matériau composite, de préférence en plastique renforcé en fibres de carbone de type CFRP, qui est pourvue de contacts permanents entre les fibres électriquement conductrices d'au moins deux couches (de fibres) superposées. Grâce à ces caractéristiques, lors de l'application d'un courant électrique sur une face de ladite pièce, par exemple une partie de paroi ou de fuselage d'un aéronef, ces contacts électriques permettent un écoulement du courant électrique suivant les fibres des différentes couches ainsi en contact. On obtient, par conséquent, une densité locale de courant électrique au niveau de l'application du câble sur la pièce, qui est moins élevée qu'en l'absence de tels contacts. Cet écoulement du courant électrique suivant les fibres électriquement conductrices, réduit l'échauffement au niveau de la zone d'application. La présente invention peut s'appliquer à un matériau composite, comprenant : - tout type de fibres au moins légèrement conductrices (électriquement), bien que, plus la conductivité est élevée, plus la répartition du courant électrique dans le matériau composite est facilitée et les effets avantageux de la présente invention sont importants ; et - tout type de matrice électriquement isolante. Plus généralement, la présente invention peut s'appliquer à un matériau composite, dont la résine constituant la matrice est électriquement plus isolante (ou moins conductrice) que les fibres de sorte qu'il existe une plus faible résistance à l'écoulement du courant électrique dans les fibres que dans la résine. Lesdites fibres et ladite matrice peuvent donc être de tout type présentant les caractéristiques précédentes. En particulier, les fibres peuvent être agencées de façon aléatoire ou organisée, et elles peuvent être réalisées de différentes manières, par exemple par tissage. Dans un mode de réalisation préféré : - avant la mise en oeuvre des étapes B/ et C/ précités, on applique une plaque de pression munie d'une surface irrégulière sur une face dudit ensemble afin de créer ladite pression superficielle (qui engendre la déformation provoquant une mise en contact localisée des fibres de couches superposées sans rupture desdites fibres), et on maintient cette plaque de pression en position au cours desdites étapes B/ et C/ pour que ces contacts persistent dans la pièce à la fin de la cuisson ; et - à une étape D/ suivant l'étape CI, on retire ladite plaque de pression. Avantageusement, ladite plaque de pression comporte une surface munie de saillies arrondies qui sont, de préférence, agencées sous forme de lignes continues, par exemple rectilignes. Ces saillies peuvent être de toutes formes non coupantes, pour éviter une rupture des fibres et ainsi une détérioration des propriétés mécaniques dudit matériau composite renforcé par les fibres. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. Les figures 1 et 2 montrent schématiquement une situation de court-circuit au niveau d'une pièce usuelle en matériau composite, dont la présente invention cherche à limiter l'impact. La figure 3 montre les effets électriques d'un court-circuit sur une pièce usuelle en matériau composite. Les figures 4A, 4B, 4C, et 4D illustrent schématiquement les étapes successives d'un procédé de fabrication conforme à l'invention. La figure 5 présente un schéma similaire à celui de la figure 3, qui permet de bien mettre en évidence les avantages de la présente invention. La figure 6 est un graphique illustrant la différence de l'échauffement engendré sur une pièce usuelle et une pièce conforme à l'invention. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce 1 en matériau composite susceptible d'être utilisée dans de nombreux domaines (automobile,...) et notamment dans l'aéronautique. Cette pièce 1 en matériau composite comprend des couches 2 superposées de fibres 3 électriquement conductrices, notamment des fibres de carbone, qui sont noyées dans une matrice 4 électriquement isolante. Dans un mode de réalisation préféré, ce matériau composite est un plastique renforcé en fibres de carbone de type CFRP (« Carbon Fiber Reinforced Plastic» en anglais). Une telle pièce 1 peut notamment constituer une paroi interne ou partie de paroi interne ou bien une partie du fuselage d'un aéronef, par exemple d'un avion de transport. Sur les figures 1 et 2, on a représenté une pièce 1A de ce type, réalisée conformément à l'art antérieur. On sait qu'un aéronef est muni de nombreux câbles électriques 5 qui sont, par exemple, fixés sur ses parois, notamment par l'intermédiaire de pattes de fixation 6 usuelles, comme représenté sur la figure 1, ou qui sont agencés à proximité de ces parois. Aussi, lors d'une usure de la gaine de protection ou lors de la rupture 5A d'un tel câble 5, il peut se produire un court-circuit (illustré par un symbole 7 sur les figures 1 et 2) avec un contact direct entre le conducteur électrique du câble 5 et le panneau ou paroi en matériau composite situé à proximité. Le courant électrique IO qui est alors injecté dans le matériau composite peut être à l'origine d'une élévation de température du matériau. Un des paramètres aggravants concernant l'apparition de ces phénomènes concerne la répartition du flux de courant électrique dans le matériau composite. En effet, la résine entre les couches 2 de fibres 3, qui forme la matrice 4 du matériau composite, isole électriquement ces couches 2 les unes des autres, comme représenté sur la figure 3 qui illustre par des flèches 9 l'écoulement du courant électrique. Cet écoulement est uniquement réalisé dans les fibres 3 de la couche 2 la plus superficielle. Il en résulte une densité locale élevée de courant électrique au niveau du contact 8 du câble avec la pièce 1A, qui peut entraîner une augmentation rapide et élevée de la température. Une situation similaire peut se présenter lorsqu'un aéronef est foudroyé au niveau d'une partie de fuselage réalisée en matériau composite. La présente invention a pour objet de fabriquer une pièce 1 en matériau composite qui permet de remédier à ces inconvénients. Pour ce faire, la présente invention prévoit de perfectionner un procédé de fabrication usuel, qui comprend les étapes successives suivantes : - une étape N, au cours de laquelle on forme un ensemble 10 constitué de couches 2 superposées de fibres 3 au moins partiellement conductrices, et séparées par une résine destinée à constituer la matrice 4 , comme représenté sur la figure 4A ; - une étape B/, au cours de laquelle on réalise un vide 11 autour de cet ensemble 10, comme illustré schématiquement sur la figure 4B ; et - une étape CI, au cours de laquelle on soumet cet ensemble 10 sous vide à une compression (flèches 13) et une cuisson usuelles, comme illustré schématiquement sur la figure 4C. Selon l'invention, au moins pendant ladite cuisson, on exerce localement sur ledit ensemble 10 une pression superficielle illustrée par des flèches Ps sur les figures 4B et 4C. Cette pression superficielle engendre une déformation (superficielle) de l'ensemble 10 qui provoque une mise en contact localisée (en des points 14) des fibres 3 d'au moins deux couches 2 superposées, et ceci sans rupture desdites fibres 3. Sur l'exemple de la figure 4A, la pression superficielle exercée engendre la mise en contact localisée des fibres 3 de trois couches 2 superposées. Cette figure 4A est une figure très schématique, sur laquelle on a amplifié l'effet de la pression exercée pour bien mettre en évidence les caractéristiques précitées. Dans un mode de réalisation préféré : - à l'étape N, après la formation de l'ensemble 10, on applique une plaque de pression 15 munie d'une surface irrégulière 16 sur une face 17 dudit ensemble 10 afin de créer ladite pression superficielle, et on maintient cette plaque de pression 15 en position au cours des étapes B/ et CI, comme représenté sur les figures 4B et 4C ; et - à une étape D/ qui suit l'étape CI, c'est-à-dire après la cuisson, on retire ladite plaque de pression 15, comme illustré par des flèches 12 sur la figure 4D de manière à obtenir ladite pièce 1 en matériau composite. Ladite plaque de pression 15 comporte une surface 16 munie de saillies arrondies 18 qui sont, de préférence, agencées sous forme de lignes continues, par exemple rectilignes. Ces saillies 18 sont non coupantes et telles qu'elles évitent une rupture des fibres 3 et ainsi une détérioration des propriétés mécaniques du matériau composite renforcé par les fibres 3. Par conséquent, la présente invention n'a pas d'effet négatif sensible sur les propriétés mécaniques de la pièce 1 obtenue, par rapport à celles d'une pièce usuelle 1A. De plus, la plaque de pression 15 est réalisée en un matériau approprié susceptible de résister aux agressions, notamment la compression et la cuisson, subies lors de la mise en oeuvre du procédé, et elle peut présenter des qualités superficielles (par exemple un revêtement approprié) permettant de réaliser un retrait aisé à l'étape 4D. Ainsi, grâce au procédé de fabrication conforme à l'invention, on crée une pièce 1 en matériau composite, de préférence en un plastique renforcé en fibres de carbone de type CFRP, qui est pourvue de contacts permanents 14 entre les fibres électriquement conductrices 2 d'au moins deux couches 3 (de fibres) superposées. Grâce à ces caractéristiques, lors de l'application d'un courant électrique IO sur une face 17 de ladite pièce 1, par exemple une partie de paroi ou de fuselage d'un aéronef, ces contacts électriques 14 permettent un écoulement (et ainsi une répartition) du courant électrique suivant les fibres 3 des différentes couches 2 ainsi en contact, comme illustré par des flèches 19 et 20 sur la figure 5. Sur l'exemple de la partie droite de cette figure 5, le courant IO est appliqué directement au niveau du contact 14 de manière à avoir une répartition directe du courant entre les couches comme montré par les flèches 19, alors que sur l'exemple de la partie gauche de cette figure 5, le courant IO est appliquée à proximité du contact 14 de sorte que la répartition du courant entre les couches est réalisée lorsqu'il atteint ledit contact 14 comme montré par les flèches 20. On obtient, par conséquent, une densité locale de courant électrique au niveau ou à proximité de l'application du courant IO sur la pièce 1, qui est moins élevée qu'en l'absence de tels contacts 14, comme illustré sur la figure 6. Sur cette figure 6, on a représenté schématiquement une variation de la température T (par exemple en °C) au niveau de la zone 8 en fonction du temps t, lors d'un court-circuit, sous forme d'une courbe Ti en trait continu relative à la pièce 1 conforme à l'invention, qui est comparée à une courbe T2 en traits interrompus relative à une pièce usuelle 1A. L'écoulement du courant électrique IO suivant les fibres 3 électriquement conductrices, réduit donc l'échauffement au niveau de la zone d'application. La présente invention s'applique à une pièce 1 en matériau composite, comprenant : - tout type de fibres 3 au moins légèrement conductrices (électriquement). Bien entendu, plus la conductivité est élevée, plus la répartition du courant électrique dans le matériau composite est facilitée et les effets positifs de la présente invention sont importants ; et - tout type de matrice 4 électriquement isolante. Plus généralement, la présente invention peut s'appliquer à un matériau composite, dont la résine constituant la matrice 4 est électriquement plus isolante (ou moins conductrice) que les fibres 3 de sorte qu'il existe une plus faible résistance à l'écoulement du courant électrique dans les fibres 3 que dans la résine. Lesdites fibres 3 et ladite matrice 4 peuvent donc être de tout type présentant les caractéristiques précédentes. En particulier, lesdites fibres 3 peuvent être agencées de façon aléatoire ou organisée, et elles peuvent être réalisées de différentes manières usuelles, par exemple par tissage. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (1) en matériau composite comprenant des couches superposées (2) de fibres (3) électriquement conductrices noyées dans une matrice (4) électriquement isolante, procédé selon lequel : N on forme un ensemble (10) constitué de couches superposées (2) de fibres (3) électriquement conductrices et séparées par une résine destinée à constituer la matrice (4) ; B/ on réalise un vide autour de cet ensemble (10) ; et C/ on soumet cet ensemble (10) sous vide à une compression et une cuisson, caractérisé en ce que, au moins pendant la cuisson, on exerce sur ledit ensemble (10) une pression superficielle (Ps) engendrant une déformation qui provoque une mise en contact localisée de fibres (3) d'au moins deux couches superposées (2), sans rupture desdites fibres (3). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - avant la mise en oeuvre des étapes B/ et CI, on applique une plaque de pression (15) munie d'une surface irrégulière (16) sur une face (17) dudit ensemble (10) afin de créer ladite pression superficielle (Ps), et on maintient cette plaque de pression (15) en position au cours desdites étapes B/ et C/ ; et - à une étape D/ qui suit l'étape CI, on retire ladite plaque de pression (15). 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite plaque de pression (15) comporte une surface (16) munie de saillies (18) arrondies. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites saillies (18) sont agencées sous forme de lignes continues sur ladite surface (16) de la plaque de pression (15).305. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau composite est un plastique renforcé en fibres de carbone. 6. Pièce en matériau composite, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par la mise en oeuvre du procédé spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 5.10