Brevet FR2981004A1 — publié le 20130412

Métallisation d'une pièce en matériau composite L'invention se rapporte à des pièces en matériau composite métallisé en surface. L'invention concerne plus particulièrement la protection contre la 5 foudre de pièces composites aéronautiques comportant une matrice en polymère thermodurcissable. L'utilisation des matériaux composites est largement répandue dans de nombreux domaines techniques, tels que la construction automobile ou aéronautique. Ce type de matériau est notamment recherché pour le gain de 10 masse qu'il procure, à propriétés mécaniques équivalentes, par rapport à des matériaux conventionnels tels que les métaux. Les matériaux composites sont particulièrement utilisés pour la fabrication de pièces de structure d'aéronefs. Ces matériaux comportent des fibres, minérales ou organiques, qui sont maintenues par une matrice en 15 résine organique. La résine de la matrice peut avoir des propriétés thermoplastiques, ou encore thermodurcissables. Un matériau thermoplastique se ramollit ou fond lorsqu'il est chauffé au-dessus d'une certaine température, et redevient dur en dessous de cette 20 température. Ce phénomène est réversible et n'altère généralement pas les propriétés mécaniques du matériau. Au contraire, la transformation d'un matériau thermodurcissable fait intervenir une polymérisation irréversible et conduit à un produit fini solide, généralement rigide. 25 Les résines thermoplastiques aptes à être utilisées dans des pièces de structure d'aéronefs sont généralement plus chères ou plus difficiles à mettre en oeuvre que les résines thermodurcissables adaptées. La présente invention se rapporte particulièrement au cas des matériaux composites avec une matrice thermodurcissable. 30 Les matériaux composites sont généralement électriquement isolants ou mauvais conducteurs, ce qui pose des problèmes en cas d'impacts de foudre, par exemple sur une structure d'aéronef. Aussi, les pièces de structure en composite thermodurcissable pour structure d'aéronef sont en général métallisées en surface, afin d'améliorer leur conductivité de surface. Une solution connue est d'intégrer à la pièce composite, soit un grillage métallique, soit du métal déployé en surface. Le grillage, imprégné de résine thermodurcissable, est drapé sur une couche structurale, également appelée stratifié, avant polymérisation de la matrice. Le stratifié est réalisé en empilant des couches constituées de plis comportant des fibres imprégnées de résine. Il est souhaitable d'empiler ces plis par un procédé automatisé, afin de réduire les coûts de fabrication des pièces. Une automatisation est également avantageuse pour la fabrication de pièces spécifiques, par exemple de grandes dimensions et/ou non développables, c'est-à-dire courbées suivant deux directions. Le procédé de métallisation en surface avec du grillage, décrit ci-dessus, s'applique aux pièces non développables telles que les pointes avant d'avions. Par rapport aux grillages, des films métalliques continus ou semi- continus offrent l'avantage d'une meilleure conductivité à masse équivalente. Cependant, l'application de tels films sur la surface d'une pièce thermodurcissable est difficile à réaliser avant polymérisation, notamment sur les pièces non-développables en raison de leur double courbure, telles que les pointes avant d'avions. Or, les pointes avant sont des pièces soumises à des impacts foudre plus nocifs que les parties courantes du fuselage, et nécessitent donc une plus forte protection contre la foudre. De plus, draper du grillage pour assurer cette protection engendre généralement un surcroît important de masse. Les méthodes connues de métallisation des pièces thermodurcissables après métallisation, comme le dépôt électrolytique, la projection ou le collage, sont également difficiles à mettre en oeuvre à l'échelle industrielle, notamment pour les pièces de grandes dimensions. La présente invention permet la fabrication industrielle de pièces thermodurcissables métallisées, avec une bonne adhérence du métal sur la pièce, la métallisation pouvant avoir lieu après polymérisation de la matrice thermodurcissable. Plus précisément, un objet de l'invention est une pièce en matériau composite comportant : une couche structurale en matériau composite comportant des fibres maintenues par une matrice de résine polymère thermodurcissable ; une couche métallique essentiellement continue ; ladite pièce étant caractérisée en ce qu'elle comporte une couche de liaison entre la couche métallique et la couche structurale, ladite couche de liaison comprenant une matrice de résine polymère thermoplastique. La couche de liaison en résine thermoplastique permet de souder efficacement la couche structurale et la couche métallique, postérieurement à la polymérisation de la résine thermodurcissable. La couche métallique est essentiellement continue, c'est-à-dire qu'elle ne comporte pas d'ouvertures périodiques de type grillage. Du fait de cette continuité, il est possible de fabriquer une pièce de masse inférieure à celle obtenue à l'aide d'un grillage, pour une conductivité équivalente. Selon un mode de réalisation de l'invention, une résine thermodurcissable de la couche structurale est choisie parmi une résine polyépoxyde, une résine bismaléimide ou une résine phénolique. Ces résines sont utilisées de manière connue pour la fabrication de pièces de structure d'aéronefs en composite. Selon un mode de réalisation de l'invention, la résine thermoplastique de la couche de liaison est choisie avec une température de fusion relativement faible, notamment comprise entre 150 °C et 250 °C. La métallisation peut ainsi avoir lieu à une température qui n'endommage pas la résine de la couche structurale. Une résine préférée est par exemple le PVDF (polyfluorure de vinylidène). Selon un mode de réalisation de l'invention, une résine thermodurcissable de la couche structurale est enrichie en particules d'une résine thermoplastique. Cette résine thermoplastique peut être différente de celle de la couche de liaison mais présenter une meilleure compatibilité avec ladite résine de la couche de liaison que la résine thermodurcissable. L'adhérence entre la couche structurale et la couche de liaison peut en être améliorée. Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche structurale comporte deux parties séparées par une interface s'étendant de manière non parallèle à la couche de liaison, chacune desdites deux parties comprenant une matrice polymère thermodurcissable, lesdites deux parties étant recouvertes d'une même couche de liaison, comprenant une matrice polymère thermoplastique. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque les deux matrices thermodurcissables sont différentes. Il permet en effet de métalliser en continu une pièce composite hétérogène, ce qui est difficile avec les méthodes connues de l'état de la technique. Les pièces composites selon l'invention peuvent être fabriquées par des procédés analogues à des procédés connus. Cependant, l'invention se rapporte également à un procédé particulièrement avantageux pour ce type de pièce. En effet, un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite telle que décrite ci-dessus, ledit procédé comprenant successivement les étapes suivantes : une étape de dépôt d'un ou de plusieurs plis structuraux imprégnés d'une résine thermodurcissable pour former la couche structurale ; une étape de dépôt d'une couche de résine thermoplastique sur la couche structurale, ladite résine thermoplastique ayant une température de fusion proche d'une température de polymérisation de ladite résine thermodurcissable ; une étape de polymérisation de la couche structurale à ladite température de polymérisation ; une éventuelle étape de refroidissement de la pièce ainsi formée ; une étape de dépôt d'une couche métallique essentiellement continue sur la couche de résine thermoplastique. La polymérisation postérieure au dépôt de la couche thermoplastique permet une interpénétration partielle de la résine thermoplastique fondue et de la résine thermodurcissable. L'adhérence entre la couche structurale et la couche de liaison est ainsi renforcée. Cette interpénétration est favorisée dans le cas où la résine thermodurcissable est enrichie en particules de résine thermoplastique. La couche de liaison se lie plus particulièrement à ces particules durant la polymérisation. Plusieurs procédés sont possibles pour métalliser la pièce. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape de dépôt d'une couche métallique comporte une projection à chaud de poudre métallique sur la couche de résine thermoplastique. Par « à chaud », on entend que la température est égale ou supérieure à la température de transition vitreuse de la couche thermoplastique, afin de la ramollir au moins localement. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'étape de dépôt d'une couche métallique comporte l'assemblage à chaud de la couche de résine thermoplastique avec une autre couche de résine thermoplastique revêtant une feuille de métal. Préférentiellement, les deux couches de résine thermoplastique comprennent une même résine thermoplastique. Un autre objet de l'invention est une pièce telle que décrite ci-dessus et susceptible d'être formée par un procédé tel que décrit ci-dessus. Une telle pièce comporte notamment une zone d'interpénétration de la couche de liaison avec la couche structurale. 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 en matériau composite, selon un mode de réalisation de l'invention ; Figure 2: une vue schématique d'une pièce composite avant métallisation, selon un autre mode de réalisation de l'invention ; Figure 3 : une vue schématique d'un procédé de métallisation de la pièce de la figure 2 ; Figure 4: une vue schématique en coupe d'une pièce en matériau composite, selon un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une pièce 10 en matériau composite, selon un mode de réalisation de l'invention. La pièce 10 comporte une couche structurale 11 en matériau composite. La couche structurale 11 est formée d'un ou de plusieurs plis (12, 13) structuraux empilés. Les plis (12, 13) comportent typiquement des fibres 14 maintenues par une matrice 15 de résine polymère thermodurcissable. Les fibres 14 des plis structuraux sont par exemple des fibres de carbone ou de verre. La nature et/ou l'orientation spatiale des fibres 14 peuvent varier selon le pli (12, 13), de manière connue. En revanche, la matrice 15 thermodurcissable est préférentiellement identique pour l'ensemble des plis (12, 13), afin d'assurer une bonne cohésion à la pièce 10. La matrice 15 thermodurcissable est préférentiellement formée d'une 35 résine polyépoxyde, communément appelée résine époxy. Dans le cadre de l'invention, on peut également utiliser une résine bismaléimide ou une résine phénolique, ou tout autre type de résine thermodurcissable utilisé de manière connue pour la fabrication de pièces composites dans le domaine de l'aéronautique. Un pli 12, proche d'une surface 16 de la pièce 10, est au contact d'une couche 17 de liaison. Ladite couche comprend une matrice 18 de résine polymère thermoplastique. La matrice 18 de résine polymère thermoplastique est préférentiellement choisie avec une température de fusion relativement faible, pour des raisons développées plus bas. Une résine préférée est par exemple le PVDF (polyfluorure de vinylidène), ou encore un autre fluoropolymère thermoplastique. Cependant, en fonction du procédé choisi pour la fabrication de la pièce 10, d'autres types de résines, aux températures de fusion plus élevées, peuvent être utilisés. La couche 17 de liaison est elle-même au contact d'une couche 19 métallique, apte à conduire des courants électriques. La couche 19 est destinée à être agencée du côté de la pièce 10 le plus exposé à la foudre. La couche 19 peut former la surface 16 de la pièce 10, mais peut également être recouverte d'une couche de peinture ou de finition. Préférentiellement, la couche 19 est essentiellement continue, c'est-à- dire qu'elle ne comporte pas d'ouvertures périodiques de type grillage. La couche 19 peut néanmoins comporter des ouvertures ponctuelles imposées par la forme et/ou les fonctions mécaniques de la pièce 10. Le choix du métal de la couche 19, ainsi que de l'épaisseur 20 de ladite couche, sont notamment liés à des contraintes de masse et de conductivité électrique. Un métal préféré pour la couche 19 est par exemple le cuivre ou l'aluminium. Une épaisseur 20 de la couche 19 est préférentiellement comprise entre 10 pm et 50 pm. Une épaisseur 21 de la couche 17 de liaison varie préférentiellement 30 entre 1 pm et 300 pm, plus préférentiellement entre 25 pm et 100 pm. La couche 17 de liaison peut comporter des fibres minérales (non représentées), notamment des fibres de verre. Ces fibres peuvent éviter une corrosion galvanique de la couche 19, liée à la présence de fibres de carbone dans la couche structurale 11. La couche 17 de liaison peut par ailleurs comporter des charges minérales telles que des oxydes métalliques, afin d'améliorer l'adhérence entre les couches 17 et 19. La pièce 10 peut être fabriquée selon divers procédés analogues à des procédés connus. Par exemple, la couche 17 de liaison peut être déposée sur une couche 11 structurale déjà polymérisée. Selon la nature respective des résines thermodurcissable et thermoplastique, une microrugosité de la couche structurale peut générer une adhérence suffisante entre les deux couches 11 et 17. Néanmoins, il est fréquent que la résine thermodurcissable et la résine thermoplastique soient peu compatibles, comme c'est le cas pour la plupart des résines époxy et les résines PVDF. Afin d'assurer une adhérence suffisante entre la couche de structure et la couche de liaison, il est avantageusement mis en oeuvre un procédé de fabrication tel que décrit ci- après : La figure 2 représente une vue schématique en coupe d'une pièce 30 en matériau composite, permettant la fabrication d'une pièce selon un mode de réalisation de l'invention. La pièce 30 comporte une couche structurale 31 en matériau composite, analogue à la couche 11 précédemment décrite. La couche 31 comprend notamment une matrice 35 de résine polymère thermodurcissable. La pièce 30 comporte en outre une couche 37 qui comprend une matrice 38 de résine polymère thermoplastique. La couche 37 forme une surface 36 de la pièce 30. Dans une première étape connue d'un procédé de fabrication de la pièce 30, on réalise une couche 31 structurale en déposant un ou plusieurs plis 32 structuraux imprégnés d'une résine 35 thermodurcissable. Les plis 32 sont par exemple empilés sur un moule (non représenté) pour donner une forme voulue à la pièce 30. Dans une deuxième étape, on dépose, sur la couche 31 structurale non polymérisée, une couche 37 de résine thermoplastique 38. Le dépôt peut se faire par des procédés connus, tel que le drapage sur la couche 31 d'un film de résine 38, ou encore la projection sur la couche 31 de particules de résine 38. La résine 38 est choisie avec une température de fusion proche d'une température de polymérisation de la résine 35 thermodurcissable. Par « température proche », on entend un écart de l'ordre de 30 °C en plus ou en moins. Dans une troisième étape, on durcit la couche structurale par polymérisation de la résine 35. Cette étape a lieu par exemple en autoclave 5 ou en étuve, de manière connue. Cette troisième étape donne lieu à la formation d'une couche intermédiaire 39, entre les couches 31 et 37. La couche 39 résulte de l'interpénétration partielle de la résine thermodurcissable 35 et de la résine thermoplastique 38, liée à la fusion totale ou partielle de la résine 38 durant 10 la polymérisation de la résine 35. Cette interpénétration partielle assure une bonne adhérence entre les couches 31 et 37, indépendamment de la compatibilité physico-chimique entre les résines 35 et 38. Préférentiellement, la résine 35 thermodurcissable est une résine époxy 15 et sa polymérisation est mise en oeuvre à une température avoisinant les 180 °C. Une résine 38 thermoplastique adaptée est par exemple une résine PVDF dont la température de fusion avoisine les 180 - 200 °C. Selon un mode de réalisation de l'invention, la résine 35 thermodurcissable de la couche 31 structurale est enrichie en particules (non 20 représentées) de résine thermoplastique. Cette résine thermoplastique peut être identique ou différente de la résine 38, tout en ayant une meilleure compatibilité physico-chimique avec la résine 38 que la résine 35. Durant la polymérisation, la couche 37 totalement ou partiellement fondue se lie plus particulièrement à ces particules de résine thermoplastique, ce qui favorise 25 l'interpénétration partielle entre les couches 31 et 37. Après refroidissement, la pièce 30 peut être manipulée et/ou stockée avant de subir une étape de métallisation. Ce procédé permet donc avantageusement de scinder la fabrication de pièces composites métallisées en plusieurs phases distinctes, ce qui apporte plus de flexibilité dans la 30 gestion de l'outillage nécessaire à la fabrication desdites pièces. Par ailleurs, la couche structurale étant recouverte de résine thermoplastique, la mise au point de l'étape de métallisation ne nécessite pas de tenir compte des caractéristiques physico-chimiques de la résine thermodurcissable de ladite couche structurale. Ledit procédé est donc 2 9 81004 9 applicable à plusieurs résines thermodurcissables différentes sans mise au point particulière. Plusieurs procédés sont envisageables pour la métallisation de la pièce 30, afin de conduire à une pièce analogue à la pièce 10 de la figure 1. Selon un premier procédé, une poudre métallique est projetée à chaud sur la couche 37 de résine thermoplastique. Par « projetée à chaud », on entend que les particules métalliques sont portées à une température avoisinant la température de transition vitreuse de la couche 37. La résine 38 est ainsi ramollie localement, ce qui favorise l'adhérence de la couche métallique ainsi formée. Un tel procédé est connu sous le nom de « cold spray ». Selon une variante, on peut effectuer la projection de poudre métallique en maintenant la pièce 30 à une température égale ou supérieure à la température de transition vitreuse de la couche 37. Un autre procédé de métallisation de la pièce 30 est représenté schématiquement à la figure 3. Un tel procédé implique l'assemblage de ladite pièce 30 avec un pli hybride 40. Ledit pli 40 comporte une couche 49 métallique, de préférence essentiellement continue et ayant une bonne conductivité électrique. La 20 couche 49 est par exemple une feuille ou une bande de cuivre ou d'aluminium. Le pli 40 comporte en outre une couche 47 comprenant une matrice de résine thermoplastique 48, compatible avec la résine 38 de la pièce 30. De préférence, il s'agit d'une résine de même nature que la résine 38. 25 Comme décrit ci-dessus pour la figure 1, la couche 47 peut comporter des charges minérales telles que des oxydes métalliques. La couche 47 peut par ailleurs comporter des fibres minérales 44, notamment des fibres de verre. Ces fibres augmentent la résistance mécanique du pli 40 et facilitent sa manipulation. 30 Un pli hybride analogue au pli 40 est notamment décrit dans le document FR2934198, au nom de la Demanderesse. La métallisation de la pièce 30 comprend la mise en contact des couches (37, 47) thermoplastiques de ladite pièce 30 et du pli 40. Cette mise en contact peut être faite à une température locale avoisinant la température 35 de transition vitreuse de la résine 38, afin de réaliser un pré-soudage permettant de positionner le pli 40 de manière satisfaisante sur la pièce 30. L'ensemble ainsi formé est ensuite consolidé à une température proche de la température de fusion de la résine 38. Cette étape de consolidation a préférentiellement lieu en étuve sous vide, de manière connue. Ce procédé de métallisation est analogue à un procédé décrit dans le document FR2934198 sus-cité. Un autre mode de métallisation peut être le soudage avec consolidation in situ, c'est-à-dire la mise en contact à une température locale proche de la température de fusion de la résine thermoplastique. On obtient ainsi directement un soudage définitif. Pour les pièces 30 non-développables du type pointe avant d'avion, il est particulièrement avantageux de déposer différents plis 40 sous forme de bandes, positionnées bord à bord, de manière à adapter chaque pli aux différentes courbures de la pièce. La figure 4 représente une vue schématique en coupe d'une pièce 50 en matériau composite, selon un autre mode de réalisation de l'invention. La pièce 50 comporte une couche structurale 51 en matériau composite. La couche structurale 51 comporte au moins deux parties (52, 53), chacune desdites parties étant formée de plis structuraux empilés. 20 Chaque partie (52, 53) comprend une matrice (54, 55) de résine polymère thermodurcissable. Les matrices 54 et 55 peuvent être de même nature ou de natures différentes. Les deux parties (52, 53) sont séparées par une interface 56. L'interface 56 est disposée de manière non parallèle à l'empilement des plis d'au moins 25 une des deux parties (52, 53). De préférence, l'interface 56 est sensiblement perpendiculaire à l'empilement des plis des deux parties (52, 53). Les deux parties (52, 53) peuvent être assemblées au niveau de l'interface 56, par des moyens connus. Un pli 57, en surface de la partie 52, forme préférentiellement une 30 surface continue avec un pli 58 de la surface 53, c'est-à-dire que les plis (57, 58) sont sensiblement affleurés l'un avec l'autre. Les plis (57, 58) sont recouverts d'une même couche 59 de liaison, comprenant une matrice polymère thermoplastique. La couche 59 de liaison est préférentiellement continue au niveau de l'interface 56. 2 9 81004 11 La couche 59 de liaison est elle-même au contact d'une couche 60 métallique, analogue à la couche 19 de la pièce 10 représentée à la figure 1. La couche 60 est destinée à être agencée du côté de la pièce 50 le plus exposé à la foudre. 5 La couche 59 de liaison en résine thermoplastique permet avantageusement de métalliser de manière homogène une pièce composite comprenant plusieurs parties (52, 53) dont les matrices thermodurcissables comprennent des types différents de résine. La métallisation de la couche 59 peut s'effectuer par l'un des procédés décrits ci-dessus, tel que le cold spray 10 ou l'assemblage avec un pli hybride métal/résine thermoplastique. L'ensemble formé par les parties (52, 53) et la couche 59 peut avantageusement être formé de manière monobloc, par un procédé analogue à celui décrit ci-dessus pour la pièce 30: les parties (52, 53) peuvent être assemblées avant cuisson, recouvertes d'un film 15 thermoplastique puis polymérisées, ce qui permet une interpénétration de la couche 59 avec chacun des plis (57, 58). Cependant, on peut également envisager d'assembler les parties (52, 53) après cuisson et de les recouvrir ensuite d'un film thermoplastique.