Brevet FR2965813A1 — publié le 20120413

L'invention concerne les aéronefs. Afin de respecter les exigences de sécurité, un avion comprend des zones particulières identifiées comme des « zones à risque feu ». Ces zones comprennent par exemple les zones des moteurs à propulsion, du moteur auxiliaire de puissance appelé APU (auxiliary power unit), les zones comprenant les réservoirs de carburant ou bien encore les zones comprenant les systèmes avioniques. Dans ces zones, de nombreuses précautions de conception, de surveillance et d'extinction sont mises en oeuvre afin de prévenir et de contrôler les risques potentiels de feu. Ainsi, certains systèmes de l'avion doivent être conçus pour prendre en compte le risque de feu, notamment en continuant à fonctionner dans le cas d'un feu à bord. Les risques de surchauffe et de destruction par le feu doivent donc être minimisés afin d'assurer le fonctionnement correct dans les délais requis des éléments mécaniques, électriques ou électroniques en cas de température élevée ou de feu. Pour y faire face, les solutions actuellement mises en oeuvre sont essentiellement basées sur les principes suivants : Le partitionnement des zones. La ventilation des zones à risque feu. Le drainage des fluides. La prévention des sources d'ignition. Le respect de critères de températures maximales suivant les zones, etc. La surveillance des températures grâce à des systèmes de surveillance. La location des systèmes en fonction des risques inhérents à certaines zones telles que les réservoirs et tuyauteries carburant, les systèmes d'air chaud, les zones d'installation électrique, etc. La ségrégation topologique des systèmes installés. La présence de parois de protection contre la propagation du feu, d'équipements anti-déflagrant ou de systèmes d'extinction. Le choix de matériaux inertes non susceptibles d'émettre des gaz toxiques et des fumées en cas de feu. Toutefois, ces solutions sont parfois difficilement conciliables avec d'autres contraintes et elles limitent les possibilités d'optimisation de la conception de l'aéronef et de ses systèmes. Un but de l'invention est de limiter les risques de surchauffe et de dégradation des systèmes de manière passive et simple afin d'améliorer la sécurité et d'optimiser les performances des systèmes de l'aéronef. A cet effet, l'invention a pour objet une composition pour aéronef, caractérisé en 2965813 -2- ce qu'elle comprend une matrice et des nano-particules d'au moins un argile dispersées dans la matrice. En effet, les nano-particules d'argiles apportent une solution particulièrement efficace et performante pour la protection des systèmes embarqués. 5 Les argiles sont des composés minéraux à base de silicates, hydratés ou non. Lorsqu'ils présentent une structure en feuillets, les argiles présentent des propriétés élevées de plasticité. Chaque feuillet de la structure présente des dimensions de l'ordre du micromètre et correspond à des couches d'oxydes tétraédriques, par exemple de silicium, et octaédriques, par exemple de sodium, de magnésium, 10 d'aluminium, de potassium, de manganèse, de fer, de nickel, etc. Lorsqu'ils présentent une structure en fibres, les argiles présentent des propriétés élevées d'absorption des fluides. Les argiles comprennent notamment la kaolinite de formule Si2O5Al2(OH)4, la halloysite, l'illite de formule KAI2(AISi3O10)(OH)2 ou encore la montmorillonite, appelée 15 aussi bentonite, de formule (Na, Ca)o,3(AI, Mg)2Si4O1o(OH)2nH2O. La montmorillonite qui appartient au groupe des smectites de la famille des phyllosilicates, est composée de silicates d'aluminium et de magnésium hydratés. Les particules d'argiles se présentent sous la forme de plaquettes de forme hexagonale. Le cristal d'argile comprend deux couches d'alumino-silicate hydraté. Les 20 particules présentent des diamètres de l'ordre de 400-6000 nm et des épaisseurs de l'ordre de 4-600 nm. Les nanotechnologies sont les techniques de conception et de fabrication des objets de taille inférieure à quelques centaines de nanomètres (10-9m), ainsi que les applications qui en résultent. Quelques ordres de grandeur des différentes échelles 25 sont donnés à titre de comparaison : Echelle (ordre de grandeur) Exemples (biologie) .: : 0,1 nanomètre ;Atome 1 nanomètre ;Molécule 10 nanomètres ;Protéine 100 nanomètres ADN 1 micromètre ;Cellule 10 à 100 micromètres =Cheveux En fonction de la taille des matériaux, les propriétés de ceux-ci peuvent être fort différentes : ainsi, à l'échelle du nanomètre, certaines propriétés apparaissent, d'autres disparaissent, certaines sont très largement améliorées, tandis que d'autres 2965813 -3- sont perturbées ou atténuées. Notamment, les caractéristiques des matériaux sont modifiées sous l'effet d'un accroissement très important des surfaces spécifiques et des interfaces, d'une amplification des interactions entre les matériaux, d'un effet de confinement et d'une importante anisotropie. Ces différents effets peuvent en outre se 5 combiner. Parmi les propriétés affectées par l'effet de taille lors du passage à l'échelle nanométrique, on compte les propriétés mécaniques (dureté, résistance à la fatigue, élasticité, superplasticité, ductilité, etc.), thermiques (conduction, expansion thermique, dégradation thermique, débit calorifique) et liées aux effets de surface (non 10 perméabilité aux gaz et aux solvants). Les principaux bénéfices et avantages de l'invention résident dans la limitation passive des risques de surchauffe des systèmes, qu'ils soient électriques, électroniques, fluidiques ou mécaniques en cas de feu. Les avantages induits sont les suivants. 15 Les nano-particules permettent de renforcer la matrice, notamment d'augmenter sa tenue mécanique, de diminuer son retrait, d'augmenter sa résistance aux chocs et aux éraflures et d'améliorer son comportement rhéologique. En cas de feu, les nano-particules d'argile accélèrent la formation d'une couche carbonisée. Cette couche carbonisée forme une barrière à la diffusion des gaz 20 ce qui réduit, voire empêche, l'alimentation en l'oxygène et donc limite la propagation du feu vers les systèmes. Cette barrière est formée par ablation de la matrice et migration des feuillets de silicate vers la surface de la matrice. La composition permet également de réduire le risque d'inflammabilité des systèmes protégés. En effet, les nano-particules permettent de réduire le flux de 25 puissance calorifique dans la composition. La transmission de la chaleur est ainsi réduite en cas de feu. De plus, la composition permet de réduire les contraintes d'installation des systèmes dans l'aéronef et donc d'optimiser leur installation. En outre, la composition permet d'utiliser des composants d'assemblage moins 30 exigeants en termes de tolérance aux niveaux thermiques. Il s'ensuit une diminution des coûts et une meilleure gestion de l'obsolescence des composants. Avantageusement, la matrice est une matrice polymérique. Les nano-particules d'argile correctement dispersées dans la matrice polymérique favorisent l'orientation et l'alignement des chaînes de polymère qui se 35 comportent alors comme si les chaînes étaient plus longues et à plus haute masse molaire. La matrice est donc renforcée. De préférence, l'argile comprend de la montmorillonite. 2965813 -4- La montmorillonite présente un facteur de forme (rapport longueur/épaisseur) relativement élevé de l'ordre de 100 à 1000 et une surface spécifique relativement grande de l'ordre de 600 à 800 m2/g. Elle présente une capacité de gonflement relativement élevée lorsqu'elle est utilisée avec une matrice polymérique 5 thermoplastique ou thermodurcissable. La structure de la montmorillonite présente des feuillets constitués d'un plan octaédrique intercalé entre deux plans tétraédriques. Dans un mode de réalisation, les nano-particules comprennent des charges organiques positives. 10 Les charges organiques positives rendent la surface de l'argile plus organophile et donc favorisent la compatibilité entre les particules d'argile et les matériaux à faible polarité, notamment les polymères à faible polarité. De telles charges organiques comprennent notamment des cations hexa-decyltrimethylammonium. La composition comprend quelques pourcents, par exemple 5 % en 15 masse, d'argile organique. Cela permet d'augmenter le module élastique, la résistance et la température de déformation à la chaleur de la composition par rapport à la matrice d'origine. Le matériau comprend moins de 10 % en poids de nano-particules, de préférence entre 2 et 8 % et plus préférentiellement entre 3 et 7 %. 20 Le taux de nano-particules est relativement faible, ce qui permet de conserver les propriétés de résistance mécanique de la matrice d'origine. Afin de limiter les risques d'inflammabilité du matériau, le taux de nanoparticules est optimisé. Ainsi, on accroit la conductivité thermique au sein de la composition, on limite le dégré de réticulation et on augmente la viscosité, notamment 25 des polymères thermoplastiques, ce qui favorise la dispersion des nano-particules. L'invention concerne en outre un ensemble pour aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend un système pour aéronef et au moins un élément réalisé à partir d'une composition telle que définie ci-dessus s'étendant en regard du système. De préférence, l'ensemble comprend deux systèmes entre lesquels est 30 interposé l'élément. L'invention a également pour objet un aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend une composition ou un ensemble tel que défini ci-dessus. L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une composition pour aéronef, caractérisé en ce qu'on mélange des nano-particules d'au moins un 35 argile et au moins un précurseur d'une matrice. Le précurseur peut être un monomère. La polymérisation génère alors une matrice polymérique croisée ou linéaire. 2965813 -5- Dans le cas d'un argile présentant une structure en feuillets, suite au mélangeage, par exemple mécanique, du précurseur avec les nano-particules d'argile, le précurseur s'intercale dans les inter-feuillets de l'argile et favorise la délamination. Dans un mode de réalisation, on disperse les nano-particules dans le ou les 5 précurseurs préalablement au mélangeage de la composition. On favorise ainsi la dispersion des nano-particules dans le précurseur et donc dans la matrice. De préférence, lors d'une étape de pré-croissance, on utilise des charges organiques positives, par exemple des chaînes alkylamonium, destinées à s'intercaler entre les feuillets pour favoriser l'exfoliation. En effet, le flux de puissance 10 calorifique (kW/m2) émis en cas de feu est d'autant plus faible que la dispersion des nano-particules est homogène et élevée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : 15 la figure 1 est une vue en perspective d'un aéronef selon l'invention ; la figure 2 est une vue schématique d'un ensemble comprenant un système embarqué à bord de l'aéronef de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique d'un ensemble comprenant une conduite embarquée à bord de l'aéronef de la figure 1 ; 20 la figure 4 est une vue schématique d'un ensemble comprenant un faisceau de câbles embarqué à bord de l'aéronef de la figure 1; et la figure 5 est une vue schématique d'un ensemble comprenant plusieurs systèmes embarqués à bord de l'aéronef de la figure 1. On a illustré à la figure 1 un aéronef selon l'invention. Il s'agit dans le présent 25 exemple d'un aérodyne et en l'espèce d'un avion 2 comprenant un fuselage 4 et deux ailes 6. Il comprend un empennage 8 et des réacteurs 10 fixés aux ailes respectives. Il s'agit d'un avion apte au transport commercial de marchandises et/ou d'un ou plusieurs passagers. L'aéronef est apte ici à effectuer un vol long-courrier en emportant au moins 50 passagers, voire au moins 100 ou 200 passagers ou du fret. Il 30 comprend à l'avant du fuselage 4 un poste de pilotage 12 destiné à être occupé par au moins une personne assurant la fonction de pilote. L'aéronef 2 comprend de nombreux systèmes ou dispositifs embarqués et formant des équipements nécessaires à son fonctionnement. Certains de ces systèmes ou dispositifs sont schématisés sur les figures 2 à 5. 35 On a représenté sur la figure 2 un ensemble 12 comprenant un système 14 et un élément d'isolation et de protection, ici un carter 16. Le carter 16 a ici une forme 2965813 -6- générale de parallélépipède rectangle, cet exemple de forme n'étant pas toutefois limitatif dans la mesure où de nombreuses autres formes sont envisageables pour le carter 16. Le système 14 est enfermé dans le carter 16 qui assure, entre autres, les fonctions de protection et d'isolation mécanique et thermique. Le carter 16 s'étend en 5 regard du système 14 et peut ou non être au contact du système 14. Nous allons maintenant présenter la structure du carter de protection 16. Le carter 14 est réalisé à partir d'une composition comprenant une matrice par exemple synthétique, en l'espèce polymérique, et des nano-particules d'argile dispersées dans la matrice polymérique. 10 La matrice est par exemple en popypropylène ou en polycarbonate. L'argile comprend de la montmorillonite. De préférence, l'argile est uniquement constitué de montmorillonite. En variante, l'argile comprend une portion d'argile naturel et une portion d'argile modifié. L'argile modifié est obtenu en remplaçant au moins en partie les 15 cations organiques naturels par des charges organiques positives, par exemple des ions hexa-decyltrimethyl-ammonium. Le matériau comprend ici 5 % d'argile modifié en poids de matériau. La composition comprend moins de 10 % en poids de nano-particules, de préférence entre 2 et 8 % et plus préférentiellement entre 3 et 7 %. En l'espèce, le 20 matériau comprend 5 % de nano-particules en poids de matériau. On a représenté sur la figure 3 un ensemble 17 comprenant une canalisation cylindrique 18 revêtue d'un élément d'isolation, ici une couche externe 20 réalisée à partir de la même composition que celle du carter de la figure 2. La canalisation 18 assure notamment des fonctions de refroidissement ou de ventilation grâce à la 25 circulation d'un fluide, par exemple d'un liquide tel que l'eau ou d'air. La canalisation 18 peut, en variante, assurer l'approvisionnement en carburant des moteurs à partir de réservoirs. On a représenté sur la figure 4 un ensemble 21 comprenant un faisceau 22 de câbles 24 recouvert d'un élément d'isolation, ici un revêtement 25 réalisé à partir de la 30 même composition que celle du carter de la figure 2. On a représenté sur la figure 5 un ensemble 26 de systèmes Si, S;+, et S;+2. L'ensemble 26 comprend également un élément d'isolation, ici une paroi 28 s'étendant en regard des deux systèmes S;+, et S;+2 à distance de ces derniers. La paroi 28 est interposée entre les systèmes S;+, et Si+2. La paroi 28 présente une forme 35 générale de plaque et est réalisée à partir de la même composition que celle du carter de la figure 2. Dans tous ces modes de réalisation le ou les systèmes pourront se situer, par 2965813 -7 exemple, dans les zones suivantes : les zones contiguës aux moteurs 10 ; la zone de mât assurant la jonction de l'un des moteurs avec le reste de l'aéronef, placée à l'interface de la voilure avec le moteur. Il peut s'agir notamment de 5 la zone appelée « pre-cooler » ou zone de prérefroidissement où peuvent régner des températures d'environ 150°C ; la zone du moteur auxiliaire de puissance appelé APU (auxiliary power unit); la zone comprenant les réservoirs de carburant; la zone comprenant les systèmes avioniques, par exemple les systèmes de 10 génération, de conversion ou de distribution de puissance électrique, etc. Le matériau décrit dans les exemples ci-dessus est fabriqué à partir d'une composition comprenant une matrice polymérique et des nano-particules d'argile dispersées dans la matrice. Le matériau est sous phase solide. Le matériau est formé par exemple par moulage de la composition. 15 On va maintenant décrire le procédé de fabrication de la composition décrite ci-dessus. On dispose d'un précurseur de la matrice polymérique. En l'espèce, la matrice polymérique étant composée de polypropylène ou de polycarbonate, le précurseur est composé de monomère de propylène dans le cas du polypropylène ou de bisphénol A 20 et de phosgène dans le cas du polycarbonate. On dispose également d'un argile, en l'espèce de montmorillonite. Dans un mode de réalisation, on mélange directement le ou les précurseurs et l'argile par mélangeage mécanique. Dans un autre mode de réalisation, on disperse les nano-particules dans le ou 25 les précurseurs préalablement au mélangeage de la composition. La dispersion est réalisée en utilisant un argile modifié dans lequel au moins une partie des cations organiques naturels sont remplacés par des charges organiques positives, par exemple des ions alkylammonium. Puis, on mélange le ou les précurseurs et l'argile dispersé par mélangeage mécanique. 30 Suivant la matrice polymère utilisée, la composition est sous phase solide ou liquide. Dans sa phase solide, la composition peut être sous forme de granules ou de plaques. L'élément réalisé à partir de la composition selon l'invention pourra s'étendre en regard d'un système ou dispositif à protéger sans être au contact avec ce dernier 35 ou encore sans le recouvrir complètement. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS1. Composition pour aéronef (2), caractérisé en ce qu'elle comprend une matrice et des nano-particules d'au moins un argile dispersées dans la matrice. 2. Composition selon la revendication 1, dans lequel la matrice est une matrice polymérique. 3. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'argile comprend de la montmorillonite. 4. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les nano-particules comprennent des charges organiques positives. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau comprend moins de 10 % en poids de nano-particules, de préférence entre 2 et 8 °/U et plus préférentiellement entre 3 et 7 %. 6. Ensemble (12; 17; 21; 26) pour aéronef (2), caractérisé en ce qu'il comprend un système (14; 18; 24; S;+,, S;+2) pour aéronef et au moins un élément réalisé à partir d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 s'étendant en regard du système (14; 18; 24). 7. Ensemble (26) selon la revendication 6, comprenant deux systèmes (S;+,, S;+2) entre lesquels est interposé l'élément (28). 8. Aéronef (2), caractérisé en ce qu'il comprend une composition selon l'une quelconque des revendication 1 à 5 ou un ensemble (12; 17; 21; 26) selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7. 9. Procédé de fabrication d'une composition pour aéronef, caractérisé en ce qu'on mélange des nano-particules d'au moins un argile et au moins un précurseur d'une matrice. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on disperse les nanoparticules dans le ou les précurseurs préalablement au mélangeage de la composition.30