Brevet FR3018285A1 — publié le 20150911

STRUCTURE TEXTILE DE RENFORCEMENT POUR MATERIAUX COMPOSITES Domaine technique L'invention concerne le domaine de l'industrie textile, et plus particulièrement des textiles utilisés en tant que renforcement pour les matériaux composites. Elle vise plus spécifiquement une structure pouvant être intégrée dans un empilement de couches de renforcement en vue de l'imprégnation par une résine polymérique, et notamment thermodurcissable. Elle concerne plus spécifiquement une configuration permettant à une de ces couches d'assurer à la fois une fonction de renforcement mécanique, et de drainage de la résine d'imprégnation pour les moules fermés. Techniques antérieures De manière générale, la fabrication de matériaux composites à partir de renforts fibreux peut se réaliser par des techniques d'infusion, par lesquelles la résine est introduite dans un moule en des points particuliers, et se déplace à l'intérieur ou autour des couches fibreuses en direction de points d'aspiration. Le procédé d'infusion est basé sur trois principes physiques fondamentaux qui sont la différence de pression, la viscosité de la résine et la perméabilité. En effet, la migration de la résine à travers la structure textile (imprégnation) ne peut avoir lieu si la perméabilité n'est pas suffisante et si la pression dans le moule est constante. La perméabilité d'un renfort représente son aptitude à être traversé par un fluide, en l'occurrence de la résine. A l'échelle microscopique, elle est liée aux microporosités des mèches (assemblage de fibres). A l'échelle mésoscopique, elle 30 est liée aux espaces qui séparent les mèches constituantes du tissage du renfort. A -2- l'échelle macroscopique, elle dépend du tissage du renfort. La perméabilité s'exprime en m2. Les tissus classiques type roving (sergé,toile, gaze standard...), ou Non CrimpFabrics (NCF) utilisés dans le procédé d'infusion ont une perméabilité de l'ordre de 1040 à 1041m2 pour le verre. Cette perméabilité n'est en général pas suffisante pour garantir le remplissage correct de la pièce qui est souvent de grandes dimensions. Afin d'améliorer cette perméabilité, deux types d'infusion peuvent être utilisés pour les structures monolithiques: On peut ainsi procéder à une infusion avec drainant externe. Dans ce cas, la résine flue à l'aide d'un tissu drainant, fortement perméable, placé au-dessus de l'empilement de fibres préformées. Le différentiel de pression entre l'arrivée de résine, située au niveau du drainant, et l'évent, situé sur la base de la préforme, provoque l'infusion de la résine d'abord dans le drainant puis à travers l'épaisseur des préformes sèches. Le drainant externe est ensuite enlevé de la pièce à l'aide d'un tissu d'arrachage. L'inconvénient majeur de ce procédé est le nombre importants de déchets (tissu d'arrachage, filet drainant externe) et le temps de mise en place des consommables. On connait également le procédé d'infusion avec drainant interne. Afin de limiter les déchets, le tissu drainant est positionné à l'intérieur de la structure textile. Il s'agit d'une couche très poreuse permettant un bon fluage de la résine à travers la préforme. En général, il s'agit d'un Mat à Filaments Continus ou un filet synthétique qui va rester dans la pièce. L'inconvénient majeur de ce type de produit est l'impact sur les propriétés mécaniques dû à l'augmentation du taux de résine dans le stratifié final. Ainsi, le Demandeur a décrit dans le document EP 0 395 548 une structure 30 textile composée d'un empilement de deux couches de renfort, composées quasi exclusivement de fils de haute ténacité, par exemple en verre, emprisonnant entre -3- elles une couche aérée, formée à partir de fils synthétiques relativement fins et ondulés. Cette couche centrale, qui forme l'âme de l'empilement est donc relativement ajourée et permet le passage de la résine entre les deux couches de renfort, qui sont beaucoup moins perméables à la résine. Cette solution, si elle présente de grands avantages, possède néanmoins l'inconvénient de générer des zones d'accumulation de résine qui présentent des propriétés mécaniques nettement inférieures aux couches externes, et ce d'autant plus que la matière fibreuse qui constitue l'âme n'est pas composée de fils de haute ténacité. Une solution alternative dédiée à l'infusion a été proposée par le Demandeur dans le document FR 2870861. Cette solution est, dérivée de la précédente, consiste à utiliser comme âme un tricot polyester. Une autre solution a été également proposée par le Demandeur dans le document EP 0 672 776. Dans cette solution, les nappes fibreuses sont composées de structures unidirectionnelles comportant des fils de fort titre et de haute ténacité. Chacune de ces nappes est déformée pour que les fils de trame présentent une inclinaison non perpendiculaire à la direction chaîne. Plusieurs de ces nappes sont associées, en combinant différentes inclinaisons des fils de renfort. Cet assemblage est réalisé sans insertion de couches d'âme facilitant le fluage. C'est l'inclinaison des différents fils des nappes superposées, qui permet le fluage de la résine. Cette solution, si elle présente l'avantage de ne pas inclure de matériaux fibreux autre que ceux des couches de renfort, présente toutefois l'inconvénient d'une relativement faible perméabilité à la résine dans le sens chaine. -4- On conçoit donc qu'il est donc nécessaire de réaliser un compromis entre les performances de mécanique des composites obtenus et la vitesse de fluage de la résine. Exposé de l'invention L'invention se propose donc de fournir une solution qui présente à la fois une bonne perméabilité longitudinale à la résine pour une imprégnation aisée lors de processus d'infusion, combinée avec des hautes performances mécaniques pour le composite obtenu. A cet effet, l'invention concerne une structure textile de renforcement pour matériaux composites, destinée à être intégrée dans un empilement de couches textiles en vue de leur imprégnation par une résine polymérique. Cette structure se caractérise en ce qu'elle comprend : - un ensemble de fils de trame ; - et un ensemble de fils de chaîne associés par paires, chaque paire comportant deux fils de type différents, dont l'un au moins est à base de fils de haute ténacité, les deux fils d'une même paire étant tissés avec des fils de trame selon une armure de pas de gaze. Autrement dit, l'invention consiste à réaliser une couche qui présente de bonnes propriétés mécaniques, du fait qu'elle est réalisée à base de fils de haute ténacité, et qui présente une bonne perméabilité à la résine selon la direction 25 chaîne.et/ou trame En effet, la configuration du pas de gaze avec deux fils de nature différente fait que certains de ces fils, à savoir les fils de haute ténacité, présentent un embuvage limité, voire nul, et définissent entre eux des canaux dans lesquels la 30 résine peut facilement se déplacer. -5- Ces canaux sont d'autant mieux définis qu'une partie des fils de chaîne, à savoir les fils de haute ténacité, se trouvent tous du même côté de la nappe de fils de trame. Seuls les fils de chaîne du deuxième type assurent le maintien des fils principaux entre eux. Le faible embuvage des fils de chaîne de haute ténacité est d'autant plus important que l'écart de tension entre les deux types de fils de chaine est important. Il est également dans une moindre mesure fonction de la différence de titre entre ces deux types de fils. Ceci permet en effet de travailler avec des différences de tension sur les deux types de fils de chaîne, de manière à ce que le fil de plus faible titre supporte le plus grand embuvage. En pratique, il est possible de moduler les propriétés de renforcement d'une telle structure en utilisant en trame des fils qui sont également de haute ténacité, conférant donc un renforcement bi-directionnel, dans le sens chaîne et le sens trame également. Toutefois, dans certaines applications, il peut être utile d'utiliser que des fils de haute ténacité dans le sens chaîne. Concernant les fils de chaîne, les fils du second type, c'est-à-dire ceux de titre le plus faible, peuvent être de différentes natures, à savoir, soit des fils synthétiques organiques, ou encore des fils de haute ténacité analogues aux fils principaux. Dans ce dernier cas, l'intégralité de la couche caractéristique peut être ainsi réalisée à base de fils de haute ténacité, ce qui peut être avantageux pour certaines propriétés de compatibilité, ou de résistance à la chaleur, bien que le fil du second type ne participe pas à la résistance mécanique du produit. De par la construction de cette couche, on peut régler de manière très fine les propriétés mécaniques de renforcement dans la direction chaîne et trame, en sélectionnant les masses surfaciques des fils de trame et de chaîne en conséquence.30 -6- Dans le cas où la masse surfacique des fils de trame est sensiblement égale à celle des fils de chaîne, le renfort est sensiblement équilibré. Ceci permet de créer des canaux non seulement dans le sens chaine, mais aussi dans le sens trame, avec donc une perméabilité importante selon les deux directions. Toutefois, dans le cas où la perméabilité n'a besoin d'être élevée que dans une seule direction, à savoir la direction chaine, on peut utiliser des fils de trame de titre inférieur. L'influence des fils de liage, c'est-à-dire les fils de chaîne du deuxième type peut être d'autant plus réduite que la masse surfacique des fils de chaîne du 10 premier type est supérieure de plus de huit ou au moins quatre fois à celle des fils de chaîne du second type. La capacité de fluage de la résine peut être modulée en fonction de la largeur des canaux définis entre les fils principaux. Ainsi, dans un premier cas de figure, 15 on peut prévoir que ces canaux entre fils sont de l'ordre de grandeur de la largeur d'un fil. Ainsi, le pas entre les fils de chaîne (et de trame) peut être compris entre deux et trois fois la largeur d'un de ces fils. Il est également possible de prévoir des canaux de plus grande largeur, en 20 prévoyant un pas entre les fils qui est supérieur par exemple à quatre fois la largeur d'un fil. En pratique, la taille des canaux entre les fils de chaine de plus fort titre peut être avantageusement comprise entre 0.5 et 3 mm pour une bonne perméabilité dans le 25 sens chaine. En effet, en dessous de 0 5 mm l'écart n'est pas suffisant pour laisser passer la résine et en dessus de 3 mm, on observe un phénomène d'imbrications des renforts lors de la mise sous vide. On peut ainsi constater que les structures textiles placées de part et d'autre du tissu drainant peuvent venir boucher les canaux avec l'application du vide et faire chuter la perméabilité du produit. 30 -7- Une telle couche présente des propriétés de perméabilité importante au moins dans une direction, combinées avec des propriétés mécaniques élevées. Elle peut donc être associée par complexage avec autant de couches de renfort que nécessaire. Dans des empilements de nombre important de couches de renfort, elle peut remplacer une couche de renfort en gagnant l'effet drainant tout en maintenant un bon niveau de performances mécaniques. Ce complexage peut avoir lieu classiquement par couture, collage ou aiguilletage, éventuellement en assemblage avec un ou plusieurs voiles de surface. Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : La figure 1 est une vue de dessus d'une structure de textile conforme à 15 l'invention. Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe respectivement selon les plans II-II' et III-III' de la figure 1. Manière de réaliser l'invention 20 De façon générale, la structure telle qu'illustrée à la figure 1 comporte des fils de trame 2 et des fils de chaîne 3, 4. Les fils de trame 2 sont disposés parallèlement, et présentent un embuvage quasi nul. Les fils de chaîne 3, 4 sont associés par paires. 25 Le tissage est réalisé en employant une armure pas de gaze entre les deux fils de chaîne 4 et 3 d'une part, et le fil de trame 2 d'autre part. Les deux fils de chaîne 3,4 s'entrecroisent autour de la trame. Du fait de l'écart de tension entre les deux types de fils de chaine, et de leur 30 écart de titre, on obtient une configuration dans laquelle les fils de chaîne 3 du premier type reposent sur la nappe de fils de trame 2. Chaque fil de chaîne 4 du 301 82 8 5 -8- deuxième type passe donc sous un fil de trame 2 et sur le fil de chaîne 3, alternativement d'un côté et de l'autre du fil de chaîne principal 3 auquel il est associé. 5 Ainsi, comme illustré à la figure 2, les fils de chaîne principaux 3 sont disposés tous du même côté de la nappe de fils de trame 2, et les fils de chaîne 4 du deuxième type, c'est-à-dire de titre le plus faible, passent d'une face à l'autre de la structure, avec un embuvage important. 10 Bien entendu, les proportions des différents fils illustrés aux figures ne le sont données qu'à titre d'exemple, et les divers fils peuvent différer dans la réalité de cette représentation. Il est par ailleurs, possible de moduler le nombre de fils par unité de 15 longueur, dans le sens chaîne et le sens trame afin de régler les propriétés mécaniques du futur renfort ainsi que la capacité de fluage de la résine. Différents exemples de réalisation pratique ont été ainsi réalisés. Exemple 1 20 - fil de trame 2 : fil de verre de 1 200 tex, avec une masse surfacique de 468 g/m2; - fil de chaîne 3 du premier type: fil de verre de 1 200 tex, avec une masse surfacique de 438 g/m2 ; - fil de chaîne 4 du deuxième type : fil de polyester de 28 tex, avec une 25 masse surfacique de 16 g/m2 ; - pas entre fils de trame, de 1 mm - pas entre fils de chaîne : motif répétitif avec deux fils séparés de 4 mm puis 4 fils séparés de 0.5 à 0.7 mm 30 -9- Exemple 2 - fil de trame 2 : fil de verre de 600 tex, avec une masse surfacique de 240 g/m2 ; - fil de chaîne du premier type 3 : fil de verre de 600tex avec une masse surfacique de 240 g/m2 ; - fil de chaîne du deuxième type 4 : fil de polyester de 28 tex avec une masse surfacique de 20 g/m2 ; - pas entre fils de trame :1,5 mm (environ) - pas entre fils de chaîne :1,5 mm (environ) 10 Exemple 3 - fil de trame 2 : fil de verre de 600 tex, avec une masse surfacique de 276 g/m2 ; - fil de chaîne du premier type 3 : fil de verre de 1 200 tex avec une 15 masse surfacique de 280 g/m2 ; - fil de chaîne du deuxième type 4 : fil de polyester de 28 tex avec une masse surfacique de 8 g/m2 Dans cet exemple, les fils de verre 2 en trame sont plus fins, mais sont 20 disposés avec un pas plus faible, de manière à former un écartement de l'ordre du millimètre, correspondant à la largeur d'un fil de trame. Exemple 4 - fil de trame 2: fil de verre de 600 tex avec une masse surfacique 25 de276 g/m2 ; - fil de chaîne du premier type 3: fil de verre de 600 tex avec une masse surfacique de 240 g/m2' - fil de trame du deuxième type 4: fil de polyester 28 tex avec une masse surfacique de 18g/m2. 30 - pas entre fils de trame : 1 mm -10- - pas entre fils de chaîne :1,5 mm Les propriétés de ces différents exemples ont été mesurées par rapport à un complexe de référence, construit selon les enseignements du brevet FR 2870861, 5 comportant : deux couches de renforts de référence constituées d'un tissu de verre de 500 g/m2 une âme drainante de référence constituée d'un tricot chaine à base d'un fil de polyester de 110 dtex, d'un poids global de 110g/m2. 10 Les performances de ces quatre exemples peuvent être récapitulées dans le tableau suivant : (en MPa) Stratifié (en mm) Couche de renfort de référence 45 236 236 482 1.72 17,6 276,3 6,86.10-n 110 Ame drainante de référence 7.9 7,13.10-9 2,87 2,10.10-9 243 19 240 265 620 12.4 4.39 Complexe de référence 2,71.10-9 39 468 432 916 Exemple n°1 2,76 3,43.10-9 32 240 240 502 Exemple n°2 234,5 2.65 14,3 2,98.10-9 34 275 288 564 Exemple n°3 212,8 3,21 14,9 3,74.10-9 Exemple n°4 536 240 276 34 2,62 96 Construction renforts (g/m2) Perméabilité 1D frontal en infusion Propriétés mécaniques * traction 0° Poids total Tx de verre Volumique (en %) Perméabilité KO° (en m2) Epaisseur Chaine 0° Trame 90° a E (en GPa) * les tests mécaniques sont réalisés avec un empilement type identique (mat + Produit à tester + mat) -12- La perméabilité est une caractéristique physique qui représente la facilité qu'a un matériau à permettre le transfert de fluide au travers d'un réseau connecté. La Loi de Darcy permet de relier un débit à un gradient de pression appliqué au fluide grâce à un paramètre caractéristique du milieu traversé, à savoir la perméabilité k. La loi de Darcy s'exprime par Q AL ic=-Sx-xn AP avec : k la perméabilité (en m2), Q le débit parcourant l'éprouvette (en m3/s), S la section de l'éprouvette (en m2), ri la viscosité dynamique du fluide (en Pa.$) AP la perte de charge mesurée entre les extrémités de l'éprouvette (en Pa) et AL, la longueur de l'éprouvette La perméabilité peut se mesurer selon 3 axes. La perméabilité indiquée dans 15 le tableau ci-dessus correspond à la perméabilité mesurée dans le plan du renfort, selon la direction chaine. Il ressort de ce qui précède que la structure de renfort conforme à l'invention permet de combiner à la fois des propriétés de renforcement structurel avec une 20 bonne perméabilité permettant ainsi d'obtenir un renfort structurel drainant. REVENDICATIONS1/ Structure textile (1) de renforcement pour matériaux composites, destinée à être intégrée dans un empilement de couches textiles en vue de leur imprégnation par 5 une résine polymérique, comprenant : - un ensemble de fils de trame (2) ; - un ensemble de fils de chaîne (3, 4) associé par paires, chaque paire comportant deux fils de type différent, dont l'un (3) au moins est à base de fils de haute ténacité, les deux fils d'une même paire étant tissés avec les 10 fils de trame selon une armure de « pas de gaze ». 2/ Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fils de trame (2) sont à base de fils de haute ténacité. 15 3/ Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fils de chaîne (3) d'un premier type présentent un titre plus élevé que les fils de chaîne (4) du second type. 4/ Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fils de chaîne (4) 20 du second type sont à base de fils synthétiques organiques. 5/ Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fils de chaîne (4) du second type sont à base de fils de haute ténacité. 25 6/ Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la masse surfacique des fils de trame (2) est sensiblement égale à la masse surfacique des fils de chaîne. 7/ Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la masse surfacique 30 des fils de chaîne (3) du premier type est supérieure de plus de quatre fois à celle des fils de chaîne (4) du second type.-14- 8/ Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le pas entre les fils de trame et/ou de chaîne est compris entre deux et trois fois la largeur d'un fil de trame. 9/ Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le pas entre les fils de trame et/ou de chaîne est supérieur à quatre fois la largeur d'un fil de trame.