Brevet FR2969634A1 — publié le 20120629

REVÊTEMENT POUR LA DETECTION D'IMPACTS SUR DES PIECES DE STRUCTURE La présente invention se rapporte à des revêtements permettant de mettre en évidence un impact sur une pièce de structure, plus particulièrement une pièce en matériau composite. La présente invention trouve une application particulière dans le domaine aéronautique. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des revêtements contenant des sondes sensibles aux chocs, permettant la mise en évidence d'un impact sur une pièce de structure, à partir d'un seuil d'énergie déterminé dudit impact. Cette invention répond notamment à la nécessité de développer des moyens de mise en évidence d'impacts sur des pièces aéronautiques en matériau composite. Les matériaux composites sont typiquement constitués de fibres ou de filaments liés entre eux par une matrice de polymères organiques. Ces matériaux, qui allient une bonne résistance mécanique à un faible poids, sont particulièrement indiqués pour la réalisation de pièces structurales, notamment dans le domaine aéronautique. Cependant, les matériaux composites, du fait de leur structure, sont particulièrement sensibles aux chocs ou impacts, qui produisent des délaminages ou des pertes d'intégrité des matériaux. De tels chocs, causés par exemple par la chute d'un marteau, peuvent notamment survenir en cours d'assemblage d'un aéronef. La pièce impactée peut être suffisamment endommagée pour nécessiter sa réparation ou son remplacement. Pour autant, l'étendue du dommage causé à la pièce n'est pas nécessairement visible à l'ceil nu à l'endroit du choc. La présente invention permet non seulement d'améliorer le suivi d'intégrité de la structure du matériau, mais également de quantifier la force de l'impact subit par la pièce. L'invention permet de déterminer si la pièce a subit un choc, mais également d'apprécier la force de ce choc, afin de pouvoir décider si la pièce nécessite ou non une réparation ou un remplacement. Il est connu de l'art antérieur des peintures dans lesquelles sont incorporées des capsules contenant un colorant visible à I'ceil nu. Sous l'effet d'un choc, les capsules se brisent et libèrent le colorant qui marque l'endroit de l'impact. Le document FR2861847, au nom de la Demanderesse, décrit une méthode de contrôle d'un impact sur une pièce structurale en matériau composite, ladite méthode faisant intervenir ce type de peinture. Cependant, le seuil d'énergie entraînant la libération du colorant dépend directement des capsules utilisées dans la peinture. Ce type de peinture ne permet donc pas de modifier le seuil d'appréciation de la force de l'impact. En effet, la tâche sur la pièce est sensiblement identique quelle que soit la force du choc, si cette dernière est supérieure au seuil. La présente invention permet de résoudre ce problème. Plus précisément, l'invention se rapporte à une composition pour revêtement de surface, comprenant : une matrice, notamment polymérisable ; des sondes comprenant au moins un composé dont des propriétés physico-chimiques sont aptes à être modifiées par application d'une pression extérieure, lesdites sondes étant directement au contact de la matrice ; les sondes représentant entre 5°/O et 400/0 du poids total de la composition. Les sondes peuvent être sous forme de particules. Elles peuvent également être sous forme de molécules en solution dans la matrice, ou greffées sur des particules. Les sondes sont préférentiellement des composés qui possèdent des propriétés piézochromiques, c'est-à-dire qui subissent un changement de couleur sous l'action d'une pression extérieure. Ce changement de couleur peut s'effectuer dans les domaines de l'infrarouge, de l'UV, du visible ou encore en fluorescence. Ce changement de couleur est quantifiable au moyen d'appareils d'analyse optique. Il est donc possible de corréler un niveau de changement de couleur au niveau d'un point d'impact avec une énergie dudit impact. Les sondes sont directement au contact de la matrice, et non à l'intérieur de capsules comme dans l'art antérieur. Le changement de couleur ne dépend donc pas de la rupture d'une capsule. Selon une forme préférentielle de l'invention, le composé dont les propriétés physico-chimiques sont aptes à être modifiées par application d'une pression extérieure est choisi parmi : les oxydes de formule CuMo,_ XWXO4 avec 0 x 0,1 ; les oxydes de structures perovskites ; les oxydes de formule PbZr1_XTix03 avec 0 x 0,1 ; les sulfures de zinc, de cadmium ou de cuivre ; les oxydes de zinc. Plus préférentiellement, les sondes comportent des particules d'oxydes de formule CuMo1_XWXO4 avec 0 x 0,1. Ces composés possèdent des propriétés piézochromiques. Plus précisément, la structure cristalline de ces particules est apte à être modifiée par application d'une pression extérieure, ce qui induit un changement de couleur. Un diamètre des particules est avantageusement compris entre 1 pm et 50 µm. Les particules d'oxydes de formule PbZr1_XTix03 avec 0 x 0,1 et de perovskites possèdent également des propriétés piézochromiques. Les perovskites ont une formule de type ABO3, comme par exemple BaTiO3, Ba0.9Sr0.1TiO3 ou BaSno.02Tio.9803- Alternativement, les sondes comportent des sulfures de zinc, de cadmium ou de cuivre, sous forme de particules de taille inférieure à 2 nm. Ces particules ont des propriétés photoluminescentes en cas de pression extérieure. Les particules d'oxydes de zinc présentent également une photoluminescence différente selon la phase du zinc. La matrice de la composition peut être de plusieurs natures. Selon une forme préférentielle de l'invention, la composition comprend une matrice sol-gel hybride organique/inorganique. Plus préférentiellement, la matrice contient au moins un composé organique choisi parmi les organoalcoxysilanes, notamment parmi les époxysilanes. Plus préférentiellement, la matrice contient au moins un composé inorganique choisi parmi les alcoxydes de zirconium. Selon une autre forme préférentielle de l'invention, la composition comprend une matrice hybride organique/inorganique de type dérivé organique de céramique, comme les compositions commercialisées sous la marque ORMOCER® (Fraunhofer). Selon une autre forme préférentielle de l'invention, la composition comprend une matrice organique. Plus préférentiellement, cette matrice organique est choisie parmi une résine époxy, une résine de polyuréthane, une résine vinylique, une résine polypropylène, une résine de polyamine ou un mélange de celles-ci. La composition peut par exemple avoir la forme d'une résine ou d'un vernis ou encore d'une peinture. Elle peut également constituer un revêtement adhésif, notamment de type film. L'invention se rapporte en outre à un procédé de revêtement d'une pièce, comprenant les étapes suivantes : appliquer sur une surface de la pièce une couche de composition telle que décrite précédemment, ladite couche ayant une épaisseur comprise entre 1 et 200 pm ; puis soumettre ladite couche à un traitement de consolidation. L'application s'effectue notamment par trempage ou par aspersion, ou par dépose au rouleau ou au pinceau. Pour une matrice Sol-Gel, l'épaisseur de la couche est préférentiellement comprise entre 1 pm et 100 µm, plus préférentiellement entre 1 et 30 µm. Pour une matrice organique l'épaisseur de la couche est préférentiellement comprise entre 25 lm et 200 µm, plus préférentiellement entre 25 et 50 µm. Le traitement de consolidation est par exemple un traitement de polymérisation, par exemple un traitement thermique ou UV, ou simplement un temps de repos à l'air libre. L'invention se rapporte en outre à une pièce structurale en matériau composite, comportant un revêtement de surface issu d'un tel procédé. L'invention se rapporte également à un procédé d'évaluation d'un choc reçu par une pièce structurale comportant un revêtement selon l'invention, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - étalonnage du revêtement de surface de la pièce par essais d'impact ou de pression sur des éprouvettes revêtues dudit revêtement, afin de déterminer un seuil d'énergie de l'impact ou de la pression, induisant un seuil de modification des propriétés physico-chimiques des sondes ; - estimation, à l'endroit du choc, de la modification des propriétés physico-chimiques des sondes par rapport audit seuil, ladite estimation étant effectuée par des moyens optiques d'analyse. Préférentiellement, l'invention concerne des revêtements dont la modification des propriétés optiques, dans le domaine du visible ou des UV, est détectable lorsque l'énergie de l'impact dépasse un seuil compris entre 5 et 60 Joules. Le seuil est plus préférentiellement compris entre 10 et 50 Joules, notamment en utilisant un impacteur hémisphérique de 16 mm de diamètre. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont données à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - Figure 1 : une vue schématique en coupe d'une pièce de structure comportant un revêtement de surface selon un mode de réalisation de l'invention ; - Figure 2: une vue schématique en coupe de la pièce représentée à la figure 1, après un impact. La figure 1 montre une pièce de structure comportant un revêtement de surface selon un mode de réalisation de l'invention. La pièce 10 est par exemple en matériau composite. Elle comporte un pli 11 dont une surface 12 externe est revêtue d'une couche 13 de revêtement selon un mode de réalisation de l'invention. La couche 13 peut être formée d'une résine ou d'un vernis ou encore d'une peinture. Selon un autre mode de réalisation, il est possible d'intercaler une ou plusieurs couches de revêtements entre une surface 12 externe du matériau composite et la couche 13. Selon un autre mode de réalisation, la couche 13 est sous forme de film déposé sur une couche de matériau adhésif, ledit matériau étant intercalé entre la surface 12 et la couche 13. La couche 13 de revêtement comporte une matrice incorporant des sondes 14. Les sondes 14 peuvent être sous forme de particules. Elles peuvent également être sous forme de molécules en solution dans la matrice, ou greffées sur des particules. Les sondes 14 comportent des composés possédant des propriétés piézochromiques. Plus exactement, des propriétés physico-chimiques des sondes 14 sont aptes à être modifiées par application d'une pression extérieure ; la modification de ces propriétés physico-chimiques induit un changement de couleur, par exemple dans le domaine du visible ou dans l'UV. Par exemple, un choc survenant sur la surface 15 externe de la couche 13 provoque un changement de couleur d'une partie des sondes 14. Dans l'exemple présenté à la figure 1, la surface 15 externe de la couche 13 correspond à la surface externe de la couche 10. Cependant, il est possible de recouvrir la couche 13 d'une ou plusieurs couches supplémentaires de revêtements, à condition que la ou lesdites couches soient suffisamment transparentes pour permettre une détection du changement de couleur de la couche 13. Il est notamment possible de recouvrir la couche 13 d'un vernis transparent (clear-coat). La figure 2 montre la pièce 10 après un impact 16 survenu sur la surface 15. L'impact 16 correspond par exemple à une énergie comprise entre 10 et 50 Joules, ayant provoqué un délaminage sur une zone 17 de la pièce 10. Une partie de l'énergie de l'impact est absorbée par des sondes 14.1 situées à proximité dudit impact 16. Il en résulte un changement de couleur desdites sondes 14.1. Ce changement de couleur est détectable par observation de la surface 15, à I'ceil nu ou au moyen d'appareils d'analyse optique. Afin de déterminer si la pièce 10 nécessite ou non une réparation ou un remplacement, il est possible au préalable d'étalonner le revêtement 13 par essais d'impact. A cet effet, on utilise par exemple des éprouvettes calibrées représentatives de la pièce 10. On réalise sur ces pièces des essais d'impacts ou de pression à différents niveaux d'énergie, de manière à établir une correspondance entre chaque niveau d'énergie et une intensité de changement de couleur de la surface représentative de la surface 15 au niveau de l'impact. On peut notamment déterminer un seuil d'énergie ES, correspondant à une intensité IS de changement de couleur. Cette intensité IS correspond à l'étendue de la zone de délaminage 17, à partir de laquelle la pièce 10 nécessite une réparation ou un remplacement. L'intensité IS est estimée au moyen d'un appareil de détection optique adapté au domaine de longueur d'onde dans lequel s'effectue le changement de couleur des sondes 14. Il peut par exemple s'agir du domaine de l'infrarouge, du visible ou de I'UV. Il peut également s'agir de fluorescence. Un appareil similaire audit appareil de détection optique est ensuite utilisé pour examiner l'impact 16, afin de déterminer si l'intensité de changement de couleur au niveau dudit impact est supérieure ou égale à IS. Si c'est le cas, alors la pièce 10 nécessite une réparation ou un remplacement. Les exemples ci-dessous de réalisation de l'invention décrivent la fabrication de compositions de revêtement et de pièces composites revêtues, similaires à la pièce 10 : Exemple 1 : Composition Sol-Gel A 65 mL d'une solution aqueuse d'acide acétique 0,05 M, on ajoute goutte à goutte, sous agitation, à température ambiante (20 °C), un mélange de 9,3 g de tétraméthoxysilane (TMOS), 37,4 g de 3-glycidoxypropyltriméthoxysilane (GPTMS) et 4,9 g de diméthyldiéthoxysilane (DMDES). On ajoute ensuite directement 150/0 en masse de particules de CuMoo.9W0.1O4, d'un diamètre de 30 à 50 µm. La solution est conservée sous agitation à température ambiante pendant un jour. On ajoute ensuite un mélange constitué d'une solution de tétrapropoxyzirconium (TPOZ) à 700/0 dans le propanol/CH30OOH/H2O en un rapport pondéral de 11,7g/6g/4,5g, préalablement agité pendant 30 minutes. La solution finale est agitée à température ambiante pendant 30 minutes. Un substrat composite est nettoyé juste avant le dépôt de façon à éliminer les poussières résiduelles. On dépose le revêtement sur le substrat par immersion (dip-coating) pendant 2 minutes et avec une vitesse de retrait 0,68 cm.s-1, ou par spray, puis on le fait sécher à température ambiante pendant 2 heures. Exemple 2 : Composition Sol-Gel A 50 g d'eau déminéralisée, on ajoute goutte à goutte un mélange de 30,3 g de GPTMS et de 4 g de DMDES. 150/0 en masse de particules de CuMo0.9W0.1O4, d'un diamètre de 30 à 50 µm, sont introduites directement. Puis on laisse le tout sous agitation à température ambiante (20 °C) pendant 24 heures. Le mélange obtenu est appliqué sur une pièce de matériau composite par immersion de la pièce ou par spray. La pièce est laissée sécher à température ambiante au moins 2 heures. Il est également possible de réaliser des revêtements à l'aide d'une matrice organique au lieu d'une matrice Sol-Gel. Pour une matrice organique, l'épaisseur de la couche de revêtement déposée ensuite sur la pièce composite est préférentiellement comprise entre 25 lm et 200 µm, plus préférentiellement entre 25 et 50 µm. Pour une matrice Sol-Gel, l'épaisseur de la couche est préférentiellement comprise entre 1 pm et 100 µm, plus préférentiellement entre 1 et 30 µm, encore plus préférentiellement de 1 à 20 µm. Il est également possible de réaliser un revêtement sous forme de film adhésif, par exemple en déposant sur une couche de matériau adhésif une couche de composition choisie parmi les compositions décrites ci-dessus, puis en soumettant ladite couche de composition à un traitement de consolidation. Le film adhésif ainsi formé peut ensuite être utilisé pour revêtir une surface, par exemple d'une pièce d'aéronef en matériau composite. L'invention décrite ci-dessus peut être utilisée pour estimer la force d'un choc reçu par de nombreux types de surfaces. Bien qu'elle ne soit pas limitée aux matériaux composites, elle est avantageusement utilisée pour ces derniers. De nombreux éléments d'un appareil de type aéronef peuvent être constitués de matériaux composites. Ces matériaux sont notamment utilisés sur de nombreuses parties d'un avion (fuselage, radôme, dérive) mais également sur les hélicoptères (pales, capots...). Selon la localisation d'une pièce selon l'invention dans un aéronef, l'invention peut présenter une utilité depuis la fabrication jusqu'à la fin de vie de ladite pièce. Si la pièce selon l'invention est une pièce élémentaire ou un élément structural, l'invention permet de révéler des chocs apparus lors de la manutention - phase de transport ou stockage -, lors de l'assemblage, mais aussi tout au long de son exploitation : impact en vol (oiseaux, débris, grêle), impact au sol (grêle, véhicule de manutention...), impact lors de phases de maintenance ou réparation (chute d'outils...). Dans d'autres domaines, la présente invention peut par exemple être incorporée à des téléphones ou à des ordinateurs portables. Il serait ainsi possible, en cas de panne, de déterminer si l'appareil a subi un choc susceptible d'avoir causé ladite panne. L'invention pourrait également être utilisée dans le domaine de l'automobile, ou encore du verre, afin de déceler des microfissures ou des fragilisations du matériau. REVENDICATIONS1. Composition pour revêtement de surface, comprenant : - une matrice, - des sondes comprenant au moins un composé dont des propriétés physico-chimiques sont aptes à être modifiées par application d'une pression extérieure, lesdites sondes étant directement au contact de la matrice, lesdites sondes représentant entre 5°/O et 400/0 du poids total de la composition. 2. Composition selon la revendication 1, telle que le composé dont les propriétés physico-chimiques sont aptes à être modifiées par application d'une pression extérieure est choisi parmi : - les oxydes de formule CuMo,_XWXO4 avec 0 x 0,1 ; - les oxydes de structures perovskites ; - les oxydes de formule PbZr1_XTix03 avec 0 x 0,1 ; - les sulfures de zinc, de cadmium ou de cuivre ; - les oxydes de zinc. 3. Composition selon la revendication 2, telle que le composé dont les propriétés physico-chimiques sont aptes à être modifiées par application d'une pression extérieure est choisi parmi les oxydes de formule CuMo,_ XWXO4 avec 0 x 0,1. 4. Composition selon la revendication 3, telle que les sondes sont sous forme de particules ayant un diamètre compris entre 1 pm et 50 µm. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une matrice sol-gel hybride 30 organique/inorganique. 6. Composition selon la revendication 5, caractérisée en ce que la matrice contient au moins un composé organique choisi parmi les organoalcoxysilanes. 35 7. Composition selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce que la matrice contient au moins un composé inorganique choisi parmi les alcoxydes de zirconium. 8. Composition de revêtement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une matrice organique. 9. Composition de revêtement selon la revendication 8, caractérisée en ce que la matrice organique est choisie parmi une résine époxy, une résine de polyuréthane, une résine vinylique, une résine polypropylène, une résine de polyamine ou un mélange de celles-ci. 10. Film pour revêtement de surface, comportant : - une couche externe, formée à partir d'une composition selon l'une des revendications précédentes, - une couche adhésive. 11. Procédé de revêtement d'une pièce (10), comprenant les étapes suivantes : - appliquer sur une surface (12) de la pièce une couche (13) de composition selon l'une des revendications 1 à 9, ladite couche ayant une épaisseur comprise entre 1 lm et 200 µm, - soumettre ladite couche à un traitement de consolidation. 12. Pièce (10) structurale en matériau composite, comportant une couche (13) de revêtement de surface issue d'une composition selon l'une des revendications 1 à 9. 13. Procédé d'évaluation d'un choc (16) reçu par une pièce (10) structurale selon la revendication 12, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - étalonnage du revêtement (13) de surface de la pièce par essais d'impact ou de pression sur des éprouvettes revêtues dudit revêtement, afin de déterminer un seuil (ES) d'énergie de l'impact, induisant un seuil (IS) de modification des propriétés physico-chimiques des sondes (14) ;- estimation, à l'endroit du choc, de la modification des propriétés physico-chimiques des sondes par rapport audit seuil (IS), ladite estimation étant effectuée par des moyens optiques d'analyse.