Brevet FR2982237A1 — publié le 20130510

Pièce en matériau composite avec couche de protection L'invention se rapporte à des pièces en matériau composite avec une couche de protection de surface. L'invention concerne plus particulièrement 5 la protection 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, carbonées ou organiques, qui sont maintenues par une 15 matrice en 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, typiquement une réaction de réticulation. Elle conduit à un produit fini solide, généralement rigide. 25 Certaines résines thermodurcissables, telles que les résines polyépoxydes, permettent de fabriquer des matériaux composites adaptés aux structures d'aéronefs, selon des procédés faciles à maîtriser et pour un coût relativement faible. Néanmoins, de tels matériaux ont une faible résistance aux milieux 30 agressifs, tels qu'un environnement à température élevée, chimiquement corrosif ou exposé aux ultraviolets. Une telle exposition à ces milieux agressifs conduit rapidement à une dégradation de la matrice et à une perte des propriétés mécaniques du matériau composite. La plupart des matrices époxy standard sont par exemple inadaptées aux températures élevées, soit supérieures à 100-150 °C, car elles subissent alors une oxydation qui altère les propriétés du matériau composite. Les solutions connues à ce problème consistent à utiliser d'autres matériaux en milieux agressifs. Par exemple, des pièces de structures d'aéronefs destinées à travailler à haute température, telles que des mâts réacteurs, sont typiquement réalisées en métaux tels que du titane ou des aciers spéciaux. Ces métaux sont cependant beaucoup plus lourds et plus coûteux que les matériaux composites. Il existe des résines polymères dites "hautes performances", plus résistantes que les résines classiques comme les polyépoxydes. Les résines "hautes performances" sont notamment peu sensibles à l'oxydation et peuvent être utilisées dans un environnement à haute température. Cependant, ces résines sont beaucoup plus coûteuses que les résines classiques, et nécessitent des procédés complexes de fabrication des pièces composites. Il est possible de munir d'une protection anti-UV les pièces composites en polyépoxydes. Cette protection est notamment obtenue en couvrant les pièces d'un revêtement tel qu'une peinture. Toutefois, une telle étape de peinture allonge la durée de réalisation des pièces. La présente invention permet de résoudre ces problèmes et de fournir des pièces de structure composites, avec une matrice thermodurcissable peu onéreuse et facile à mettre en oeuvre, lesdites pièces présentant une bonne résistance en milieux agressifs tels que les hautes températures, les environnements corrosifs ou l'exposition aux UV. Plus particulièrement, un objet de l'invention est une pièce en matériau composite, particulièrement une pièce de structure d'aéronef, ladite pièce comportant : une couche structurale en matériau composite comportant des fibres maintenues par une matrice de résine polymère thermodurcissable ; une couche de protection de surface de la couche structurale, destinée à protéger la couche structurale d'une oxydation à haute température et/ou d'une agression chimique et/ou d'une exposition aux ultraviolets ; ladite pièce étant caractérisée en ce que la couche de protection comprend une matrice de résine polymère thermoplastique présentant une meilleure résistance à l'oxydation à haute température et/ou à une agression chimique et/ou aux ultraviolets, que la résine polymère thermodurcissable de la couche structurale. La couche de protection en résine thermoplastique permet d'améliorer la résistance de la pièce composite aux agressions extérieures, sans augmenter sensiblement le coût ni la complexité de son procédé de fabrication. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, une résine thermoplastique de la couche de protection est une résine thermostable polyaromatique, faisant notamment partie des résines "hautes performances". La thermostabilité des polymères polyaromatiques provient des cycles aromatiques de leurs chaînes squelettiques et des forces intermoléculaires fortes entre ces chaînes. Les composites ayant une matrice thermostable polyaromatique peuvent être utilisés en continu à des températures allant jusqu'à 400 °C. Plus préférentiellement, la résine thermostable polyaromatique est choisie parmi les polyaryléthercétones et les polyamide-imides. Comme exemple de polyaryléthercétone, on peut citer le polyétheréthercétone (PEEK). Dans les pièces réalisées selon ce mode de l'invention, la matrice de la couche structurale est protégée de l'oxygène par une couche de matériau présentant une très bonne résistance à l'oxydation à haute température. Il est donc possible d'utiliser de telles pièces dans un environnement de travail à plus haute température que celle habituellement tolérée par la matrice thermodurcissable. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, une résine thermodurcissable de la couche structurale est choisie parmi une résine polyépoxyde, une résine bismaléimide et une résine phénolique. Plus préférentiellement, il s'agit d'une résine polyépoxyde, couramment appelée résine époxy. Ce type de résine est peu onéreux et permet la fabrication de matériaux composites par des procédés courants et bien maîtrisés. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, une résine thermoplastique de la couche de protection a une température de fusion comprise entre 300 °C et 500 °C, ce qui permet l'utilisation des pièces à haute température. La plupart des polyaromatiques cités ci-dessus a une température de fusion comprise dans un tel intervalle. Les pièces composites selon l'invention peuvent être fabriquées par des procédés analogues à des procédés connus. Cependant, un autre objet de l'invention est un procédé de réalisation d'une pièce de structure d'aéronef telle que décrite ci-dessus, ledit procédé comportant une étape de mise en contact de la matrice de résine thermoplastique à l'état fondu, avec la couche structurale. La mise en contact avec la résine thermodurcissable de la résine thermoplastique fondue permet une meilleure adhérence de la couche structurale et de la couche de protection. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, le procédé 10 comporte les étapes suivantes : - empilement d'un film de résine thermoplastique avec un ou des plis préimprégnés de résine thermodurcissable, - cuisson de la pièce à une température de polymérisation inférieure à la température de fusion de la résine thermoplastique, 15 ladite cuisson pouvant comprendre une étape d'augmentation de la température à un niveau égal ou supérieur à ladite température de fusion, durant une courte durée, de sorte à préserver les propriétés mécaniques de la résine thermodurcissable. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et 20 à l'examen de la figure qui l'accompagne. Celle-ci est donnée à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure unique représente une vue schématique en coupe d'une pièce 10 de structure d'aéronef en matériau composite, selon un mode de réalisation de l'invention. 25 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 30 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 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 protection, destinée à être agencée du côté de la pièce 10 le plus exposé à un milieu agressif. Ladite couche 17 comprend une matrice 18 10 de résine polymère thermoplastique. La couche 17 a pour fonction de protéger la couche structurale d'une oxydation à haute température et/ou d'une agression chimique et/ou d'une exposition aux ultraviolets. Pour cette raison, la matrice 18 de résine thermoplastique est choisie de manière à présenter une meilleure résistance 15 à l'oxydation à haute température et/ou à une agression chimique et/ou aux ultraviolets, que la résine polymère thermodurcissable de la couche structurale. Par exemple, une fonction de la couche 17 est de former une barrière physique entre la couche 11 structurale et l'oxygène, afin d'éviter une 20 oxydation de la matrice 15 lorsque la pièce 10 est dans un environnement à haute température. La matrice 18 de résine polymère thermoplastique est préférentiellement choisie avec une température de fusion relativement élevée, pour permettre une utilisation de la pièce 10 dans un environnement 25 à haute température. La pièce 10 peut par exemple être incorporée à un mât réacteur d'aéronef, ou plus généralement être située à proximité d'un moteur. Préférentiellement, la matrice 18 comprend une résine thermostable polyaromatique, par exemple le PEEK (polyétheréthercétone), le PEK (polyéthercétone), le PEKK (polyéthercétonecétone) ou une autre résine de 30 nature chimique et de propriétés similaires. Les résines polyamide-imides (PAI) peuvent également être utilisées. La couche 17 peut former la surface 16 de la pièce 10, mais peut également être recouverte d'une couche de peinture ou de finition. On peut également avoir cette couche de protection sur les deux faces de la pièce 10. Une épaisseur 19 de la couche 17 de protection varie préférentiellement entre 20 pm et 500 pm, plus préférentiellement entre 50 pm et 300 pm. La pièce 10 peut être fabriquée selon divers procédés analogues à des procédés connus. Par exemple, la couche 17 de protection peut être assemblée par collage avec une couche 11 structurale déjà polymérisée. La faisabilité d'un tel procédé dépend de la géométrie de la pièce à former, cette dernière présentant de préférence une courbure dans une seule direction. Un autre procédé de fabrication de la pièce 10 comporte l'assemblage de la couche 17 par thermoformage avec une couche 11 structurale déjà polymérisée. Le thermoformage peut avoir lieu à une température comprise entre la température de transition vitreuse et la température de fusion de la résine 18 thermoplastique. Cependant, il est préférable que le procédé de fabrication de la pièce 10 comporte une étape de mise en contact de la résine thermodurcissable et de la résine thermoplastique, cette dernière étant portée à une température égale ou supérieure à sa température de fusion. La résine thermoplastique à l'état fondu adhère ainsi de manière optimale à la résine thermodurcissable, notamment en raison d'une microrugosité de la surface de la couche 11. Un tel procédé est par exemple la projection de poudre à l'état fondu de résine 18 à la surface de la couche 11 structurale. La résine 18 recristallise au contact de la couche 11 pour former un film 17 protecteur. Préférentiellement, la surface de la couche 11 est activée simultanément à la projection de poudre fondue de résine 18, afin d'optimiser l'adhérence des deux couches (11, 17). L'activation peut être effectuée, soit par un traitement électrique de type corona, soit par simple dégraissage suivi d'un léger ponçage pour augmenter la rugosité de la surface. Un autre procédé possible consiste à appliquer la résine thermoplastique sur la couche 11 structurale avant la polymérisation de la matrice 15, et à polymériser ensuite l'ensemble de manière monobloc. Par exemple, dans un procédé mettant en oeuvre un moule femelle, c'est-à-dire sensiblement concave, on dépose un film de résine 18 thermoplastique dans le fond dudit moule. On dépose ensuite par-dessus ledit film un ou plusieurs plis (12, 13) structuraux, préimprégnés d'une résine 15 thermodurcissable. On durcit ensuite la couche structurale par polymérisation, ou cuisson, de la résine 15. Cette étape a lieu par exemple en autoclave ou en étuve, de manière connue. Durant la cuisson de la pièce 10, la température peut être montée durant un court laps de temps jusqu'à un niveau égal ou supérieur à la température de fusion de la résine 18. Le film thermoplastique, en fondant, adhère solidement à la couche structurale. De tels procédés de mise en contact avec les plis préimprégnés peuvent être automatisés et n'allongent que très peu la durée de fabrication de la pièce, par rapport à une pièce similaire sans couche de protection. L'invention permet par exemple de remplacer des pièces métalliques de l'état de la technique, telles que des mâts réacteurs, par des pièces composites avec une matrice thermodurcissable telle qu'une résine époxy. Il en résulte un gain de masse conséquent, ainsi qu'un coût de réalisation nettement diminué. On considère par exemple une pièce 10 dont la matrice 15 est une résine époxy avec une température de transition vitreuse de 200 °C environ. Une couche 17 de protection de surface en PEEK permet à une telle pièce 10 de travailler à des températures allant jusqu'à 160 °C environ, ce qui n'est pas réalisable selon l'état de la technique à cause de l'oxydation de la résine époxy. L'invention permet également de remplacer, par des matrices époxy peu onéreuses, des matrices thermodurcissables ou thermoplastiques de type "hautes performances" pour fabriquer des pièces de structures destinées à travailler en environnement agressif.25 REVENDICATIONS1. Pièce (10) de structure d'aéronef, en matériau composite, comportant : - une couche (11) structurale en matériau composite comportant des fibres 5 (14) maintenues par une matrice (15) de résine polymère thermodurcissable - une couche (17) de protection de surface de la couche structurale, destinée à protéger la couche structurale d'une oxydation à haute température et/ou d'une agression chimique et/ou d'une exposition aux ultraviolets, 10 ladite pièce étant caractérisée en ce que la couche de protection comprend une matrice (18) de résine polymère thermoplastique présentant une meilleure résistance à l'oxydation à haute température et/ou à une agression chimique et/ou aux ultraviolets, que la résine polymère thermodurcissable de la couche structurale. 15 2. Pièce selon la revendication 1, telle qu'une résine thermoplastique de la couche de protection est une résine thermostable polyaromatique. 3. Pièce selon la revendication 2, telle que la résine thermostable 20 polyaromatique est choisie parmi les polyaryléthercétones et les polyamideimides. 4. Pièce selon l'une des revendications 1 à 3, telle qu'une résine thermodurcissable de la couche structurale est choisie parmi une résine 25 polyépoxyde, une résine bismaléimide et une résine phénolique. 5. Pièce selon la l'une des revendications précédentes, telle qu'une résine thermoplastique de la couche de protection a une température de fusion comprise entre 300 °C et 500 °C. 30 6. Procédé de fabrication d'une pièce de structure d'aéronef en matériau composite selon l'une des revendications précédentes, comportant une étape de mise en contact de la matrice de résine thermoplastique à l'état fondu, avec la couche structurale. 35 7. Procédé selon la revendication 6, comportant les étapes suivantes : - empilement d'un film de résine thermoplastique avec un ou des plis préimprégnés de résine thermodurcissable, - cuisson de la pièce à une température de polymérisation inférieure à la température de fusion de la résine thermoplastique, ladite cuisson comprenant une étape d'augmentation de la température à un niveau égal ou supérieur à ladite température de fusion, durant une courte durée, de sorte à préserver les propriétés mécaniques de la résine thermodurcissable.10