Brevet FR2988692A1 — publié le 20131004

Pales en matériaux composites pour éolienne ou hélicoptère Le domaine de l'invention est celui des matériaux composites de structure ayant pour fonction la résistance aux chocs et la protection à la perforation. Le domaine d'application privilégié est celui des éoliennes. Les structures selon l'invention peuvent cependant s'appliquer à tous domaines nécessitant des structures de protections très résistantes et légères. Dans le domaine des éoliennes, on chercher à réaliser des pales ayant des masses les plus faibles possibles, afin de construire des structures de grandes dimensions et d'améliorer leurs rendements. Cependant, ces pales sont soumises à des conditions variées (climatiques, comme des impacts de grêle, ou autres) susceptible d'endommager lesdites pales par des impacts. Ceci est d'autant plus vrai pour les pales de grand diamètre, dont la vitesse de rotation à l'extrémité peut atteindre plus de 100 m/s. Les coûts élevés de maintenance et d'immobilisation des éoliennes nécessitent de sélectionner avec précision les matériaux employés afin d'augmenter au maximum leur durée de vie. L'assemblage de nouveaux matériaux comme décrit dans l'invention permet un gain significatif de durée de vie. L'emploi de matériaux composites, par exemple dans des structures sandwichs, permet d'obtenir des structures très légères et rigides. Les matériaux composites sont constitués d'une matrice, d'une armure et éventuellement de charges. Afin d'améliorer le comportement à l'impact, une pratique commune pour améliorer le comportement à l'impact des matériaux composites consiste à introduire des charges dans la matrice. Ces charges sont par exemple des élastomères ou des poudres de céramique. Cependant, une forte concentration de particules doit être introduite dans ladite résine et cela se fait au détriment de la raideur du composite.35 Pour des pales de grandes dimensions la raideur du matériau et de la structure est capitale pour supporter les contraintes mécaniques. Les solutions classiques offrent des résistances satisfaisantes aux chocs et à la pénétration pour des épaisseurs de plusieurs millimètres. Toutefois, si on veut alléger ces structures, les leviers classiques ont déjà tous été explorés. On citera la diminution du taux de résine, le choix judicieux des fibres et de l'orientation des plis successifs, l'optimisation de la post-cuisson du monolithique ou encore l'utilisation de mousses de différente densité pour l'âme du sandwich. La structure selon l'invention permet soit d'améliorer la résistance à la pénétration et au choc pour une épaisseur donnée de composite, soit de diminuer l'épaisseur de composite pour une résistance à la pénétration et au choc donnée. La solution technique consiste à ajouter des polymères particuliers dans la résine du composite afin d'augmenter la résistance au choc et à la pénétration, à masse équivalente. Cet ajout est très simple industriellement, puisqu'on dissout ces particules dans la base d'une résine, puis on prépare la résine, drape et enduit le composite selon le même procédé qu'une préparation classique. L'utilisation de cette résine est proposée dans les zones susceptibles d'être impactées. Il a en effet été montré que les régions correspondantes au bord d'attaque des pales sont les plus susceptibles d'être impactées. Plus précisément, l'invention a pour premier objet les peaux en composites du sandwich constituant la pale qui comportent au moins une « armure » en tissus imprégnée d'une matrice en résine, caractérisé en ce que certaines parties sont imprégnées d'une matrice en résine comportant un adjuvant apte à renforcer la résistance mécanique de la peau, lesdites parties correspondant aux zones les plus susceptibles d'être impactées, le reste de « armure » ne comportant pas ledit adjuvant. Avantageusement, la résine est une résine de type époxy et l'adjuvant est à base de copolymères à blocs acryliques et plus précisément, les copolymères à blocs acryliques sont de marque « Nanostrengthe, » et commercialisés par la société Arkéma. Avantageusement, les parties de « armure » comportant l'adjuvant sont le bord d'attaque et l'extrados de la pale, correspondant aux zones les plus susceptibles d'être impactés pour des pales ayant un axe de rotation horizontal. Avantageusement, les parties de I' « armure » comportant l'adjuvant sont le bord d'attaque et l'intrados de la pale, correspondant aux zones les plus susceptibles d'être impactés pour des pales ayant un axe de rotation vertical. L'invention a également pour second objet des pales comportant 10 au moins une peau définie selon l'une des caractéristiques précédentes. Elle a enfin pour troisième objet un procédé de réalisation d'une peau en matériau composite comprenant au moins une « armure » en tissus imprégnée d'une matrice en résine, ledit procédé comportant les étapes suivantes : 15 - Préparation d'une première base comportant uniquement de la résine époxy ; - Préparation d'une seconde base comportant de la résine époxy et un adjuvant apte à renforcer la résistance mécanique ; - Imprégnation des tissus au moyen de la seconde base dans 20 les parties correspondant aux zones les plus susceptibles d'être impactés ; - Imprégnation des tissus au moyen de la première base en dehors desdites parties ; - Polymérisation. 25 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 'I représente une peau en matériau composite avant 30 imprégnation ; La figure 2 représente les principales étapes de fabrication d'un matériau composite selon l'art antérieur ; La figure 3 représente une vue en coupe de la pale selon l'invention ; La figure 4 représente les zones susceptibles d'être impactées, cet exemple est donné à titre indicatif et non limitatif. La figure 5 représente les principales étapes de fabrication d'un matériau composite selon l'invention. Comme il a été dit, une peau de pale en matériau composite selon l'invention comprend au moins une « armure » en tissus dont certaines parties sont imprégnées d'une matrice en résine comportant un adjuvant apte à renforcer la résistance mécanique des peaux, lesdites parties correspondant aux zones les plus susceptibles d'être impactées. On conserve une résine classique pour les autres zones des peaux. Une telle peau est représentée en figure 3. Les parties (a) de la peau comportent l'adjuvant et les parties (b) ne comprenant pas l'adjuvant. La mousse (c) constituant l'âme du sandwich de la pale est représentée par un motif en petits pois. Deux exemples d'inserts (ex : carbone) pour augmenter la rigidité de la pale (d) sont donnés de manière non limitative. Le premier type d'insert correspondant à l'exemple (1). Il est de type tubulaire avec une deuxième mousse (e) le remplissant, ce qui permet d'augmenter encore la raideur de la pale. Le deuxième type d'insert correspond à l'exemple (2). L'exemple de réalisation en figure 3 est donné à titre non limitatif et correspond à la configuration décrite à l'aide de la figure 4. Cette figure indique le sens de déplacement (U) de la pale (P), la direction du vent (W) et la surface de probabilité d'un impact se produise (I). Les parties de « armure » comportant l'adjuvant sont bien différentes qu'il s'agisse de pales à sens de rotation verticale ou horizontale. On utilise plus particulièrement une résine de type époxy et l'adjuvant choisi est à base de copolymères à blocs acryliques. Les polymères ajoutés ont une structure tribloc, qui une fois formulé avec une résine époxy permet d'obtenir une structuration de la matrice à l'échelle nanométrique. Cette structuration, due à la ségrégation de la phase dissoute, permet de modifier de façon significative les propriétés mécaniques du composite. Plus précisément, les copolymères à blocs acryliques sont de marque « Nanostrength® » et commercialisés par la société Arkéma. Les composés Nanostrength se déclinent en deux familles qui sont: les « SBM » : acronyme de polyStyrène-block-poly(1,4-Butadiène)- block poly(Méthylméthacrylate) ; les « MAM »: poly(MéthylméthAcrylate)-block poly(butylacrylate)- block-poly(Méthylméthacrylate). On peut, bien entendu, pour simplifier la réalisation des peaux, utiliser une seule résine comportant l'adjuvant pour réaliser la totalité de la peau. Cependant, la réalisation d'une telle peau présente certains inconvénients. En effet, l'ajout de polymères de type « Nanostrength » dans les résines époxy augmente la viscosité de la substance. Les conséquences sont une plus grande difficulté de mise en oeuvre et un taux de résine plus élevé du composite, qui le rend plus lourd et plus cassant. De plus, si tel est le cas, un faible abattement de la rigidité est tout de même constaté. A titre d'exemple de mise en oeuvre, on peut utiliser comme composite une « armure » constituée de trois plis de poly-para-phénylène téréphtalamide, plus connu sous la marque « Kevlar ». Plus précisément, on peut choisir du « Kevlar » 129 enrobé d'une résine de référence à base de diglycidyléther du bisphénol A « DGEBA» et représentant 40% de la masse du composite. Les parties renforcées étant constituées du même nombre de plis, du même tissu de renfort mais avec une matrice époxy chargée de « Nanostrength M52N ». Le pourcentage de « Nanostrength M52N » peut être compris entre 5% et 15%. Des essais de tenue aux chocs sur des sandwiches, avec une âme en mousse Rohacell®, montrent que les parties renforcées au « Nanostrength » ne perforent pas alors que les parties non renforcées perforent complètement. Le procédé de réalisation de la peau est représenté schématiquement en figure 4 et comporte les étapes suivantes : - Préparation d'une première base comportant uniquement de la 35 résine époxy ; - Préparation d'une seconde base comportant de la résine époxy et un adjuvant apte à renforcer la résistance mécanique ; - Imprégnation des tissus au moyen de la seconde base dans les parties correspondant aux zones les plus susceptibles d'être impactées ; - Imprégnation des tissus au moyen de la première base en dehors desdites parties ; - Polymérisation des tissus imprégnés. Plus précisément, le mode de préparation de la seconde base 10 avec dispersion de polymères « Nanostrength® » est le suivant : Mise en température de la base époxy à une température comprise entre 80°C et 130°C ; Ajout à la base époxy de 10% en masse de « Nanostrength » ; Mélange avec un agitateur magnétique pendant une durée comprise 15 entre 1h à 4h à une vitesse de 300 tours par minute ; Refroidissement de la formulation jusqu'à la température ambiante ; Ajout du durcisseur et mélange à la main jusqu'à obtenir une préparation homogène. 20 Le mode de préparation du composite sans polymère « Nanostrength® » est identique à la réserve près que l'on n'ajoute pas d'adjuvant dans la base époxy. Les paramètres de presse comme la durée de polymérisation, comme la température et comme la pression sont les mêmes que ceux cités plus haut pour la résine non chargée. 25 On peut ensuite procéder aux imprégnations avec et sans Nanostrength séquentiellement, puis presser et polymériser simultanément toutes les régions de la peau. L'imprégnation et la polymérisation des tissus comportent les étapes suivantes : 30 Imprégner les plis du renfort ; Eliminer l'excédent de résine dans une presse à 1,5 bars à température ambiante pendant une durée de 5 min ; Polymériser l'ensemble dans une presse chauffante à 1,5 bars à 90°C pendant une durée de 90 min ; 35 Laisser refroidir à température ambiante ; - Post cuisson pendant 2h à une température de 80°C. Lors de l'étape d'imprégnation, on applique la résine époxy avec ou sans Nanostrength sur les plis de renfort. On peut utiliser un gabarit pour 5 délimiter les zones d'applications. REVENDICATIONS1. Peau de pale en matériau composite comprenant au moins une « armure » en tissus imprégnée d'une matrice en résine, caractérisé en ce que certaines parties dédiées de l' « armure » sont imprégnées d'une matrice en résine comportant un adjuvant (a) apte à renforcer la résistance mécanique des peaux, lesdites parties correspondant aux zones les plus susceptibles d'être impactées, le reste de l' « armure » étant imprégné d'une matrice en résine ne comportant pas ledit adjuvant (b). 2. Peau de pale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la résine est une résine de type époxy et l'adjuvant est à base de copolymères 15 à blocs acryliques. 3. Peau de pale selon la revendication 2, caractérisée en ce que les copolymères à blocs acryliques sont de marque « Nanostrength® » et commercialisés par la société Arkéma. 20 4. Peau de pale selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les parties de l' « armure » comportant l'adjuvant sont le bord d'attaque et l'extrados de la pale, correspondant aux zones les plus susceptibles d'être impactées (I) pour des pales ayant un axe de rotation 25 horizontal. 5. Peau de pale selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les parties de l' « armure » comportant l'adjuvant sont le bord d'attaque et l'intrados de la pale, correspondant aux zones les plus 30 susceptibles d'être impactées (I) pour des pales ayant un axe de rotation vertical. 6. Pale d'éolienne comportant au moins une peau selon l'une des revendications précédentes. 35 7. Pale d'hélicoptère comportant au moins une peau selon l'une des revendications 1 à 4. 8. Procédé de réalisation d'une pale en matériau composite 5 comprenant au moins une « armure » en tissus imprégnée d'une matrice en résine, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - Préparation d'une première base comportant uniquement de la résine époxy ; - Préparation d'une seconde base comportant de la résine 10 époxy et un adjuvant apte à renforcer la résistance mécanique - Imprégnation des tissus au moyen de la seconde base dans les parties correspondant aux zones les plus susceptibles d'être impactées ; 15 - Imprégnation des tissus au moyen de la première base en dehors desdites parties ; - Polymérisation de la résine imprégnant les tissus.