Brevet FR3132109A1 — publié le 20230728

L’invention concerne un matériau composite (10) à renforts textiles résistant aux impacts, notamment pour le domaine de la protection balistique, comportant un empilement de renforts textiles (1) liés entre eux par une matrice thermofusible (2) après assemblage sous pression à chaud. Il est caractérisé en ce qu’au moins une partie des renforts textiles (1) est constituée d’un velours double face, formant un complexe textile en trois dimensions 3D, et en ce que la matrice thermofusible (2) est intégrée dans ledit complexe textile et préférentiellement dans au moins une partie des poils du velours s’étendant transversalement. Lors de l’assemblage sous pression à chaud, lesdits renforts textiles (1) se lient entre eux dans les trois dimensions XYZ par les poils qui contiennent la matrice thermofusible (2), qui s’interpénètrent entre eux et aux renforts textiles adjacents, et qui s’aplatissent sous la pression pour former une couche d’interface entre les renforts textiles, ayant pour effet de consolider ledit matériau composite (10). Figure pour l’abrégé : Fig 3 Renfort textile pour matériau composite et matériau composite obtenu La présente invention concerne un renfort textile pour fabriquer tout ou partie d’un matériau composite, et un matériau composite comportant un empilement d’au moins deux renforts textiles liés entre eux par une matrice thermofusible après assemblage sous pression à chaud. L’invention s’intéresse à tout type d’application nécessitant de renforcer une structure quelconque ou une jonction entre des éléments assemblés. Elle s’intéresse notamment au domaine de la protection balistique en proposant un matériau composite particulièrement résistant aux impacts de projectiles. Le domaine de la protection balistique couvre entre autres la protection du combattant débarqué : soldat, force de l’ordre, et du combattant embarqué : blindage de véhicules terrestres, navals et aéroportés, sans que cette liste ne soit exhaustive. La protection balistique consiste à arrêter un ou plusieurs impacts de projectiles, tels que des balles, des fragments de matériau à haute énergie cinétique, ou de tout autre corps projeté par une arme. La protection balistique peut se présenter sous différentes formes, telles que des plaques composites en céramique, des doublures anti-fragment, des plaques de protection balistique en métal, ou similaires, dans des gilets pare-balles, des casques, des gants, etc. Les matériaux composites combinent au minimum deux constituants. Ils sont généralement constitués d'une structure textile composée de fibres conférant les propriétés mécaniques, appelée renfort, et d'un liant permettant de lier les fibres entre elles, de les protéger de l'environnement, et de maintenir en forme la structure textile, appelé matrice. Dans le domaine particulier de la protection balistique, les matériaux composites sont déjà largement utilisés. Il existe un premier exemple de matériau composite dit en deux dimensions (2D). Il est constitué d’un empilement de couches de renfort bidimensionnelles avec une alternance entre les couches de renfort, d'une matrice thermoplastique ou thermodurcissable, généralement sous la forme d’un film. Les couches de renfort sont de type toile, sergé, unidirectionnel (UD) dans lequel les filaments des couches de renfort sont parallèles les uns aux autres sans liage spécifique, etc. Cet empilement est ensuite pressé à chaud pour lier les couches de renfort entre-elles par fusion ou polymérisation de la matrice. Le matériau composite obtenu a l’inconvénient de se délaminer fortement après un premier impact, c’est-à-dire de perdre la cohésion entre les différentes couches de renfort. Il perd alors sa capacité à stopper efficacement un second impact dans la zone où il a été endommagé. Pour pallier ces problèmes de délaminage, il existe un deuxième exemple de matériau composite de type interlock (2,5D). Il est constitué d’une structure textile dans laquelle les couches de renfort sont liées entre elle par certains fils de chaine et/ou certains fils de trame évoluant dans l'épaisseur de la structure. Avec cette solution, le taux d'endommagement du matériau composite est effectivement réduit, mais au détriment de la performance balistique, puisque la dissipation de l’énergie cinétique en ondes transversales est moins efficace. Dans un troisième exemple de matériau composite, pour conserver une bonne performance balistique du type de celle des matériaux composites 2D, tout en diminuant l'endommagement du matériau composite après un premier impact des matériaux composites 2,5D, les couches de renfort bidimensionnelles sont cousues entre elles par des fils de couture, le plus souvent au moyen d’un motif en carré, rectangulaire, ou losange. Cependant, après pressage à chaud des couches de renfort pour réaliser le matériau composite, les fils de couture sont détendus et donc moins efficaces. Cette solution est généralement utilisée pour la réalisation de protections balistiques souples 100% textiles, c’est-à-dire sans matrice. Un autre inconvénient de cette solution réside dans le fait de coudre les couches de renfort entre elles, puisqu’en traversant les couches de renfort, l'aiguille de couture a tendance à couper certains filaments. Ainsi la structure textile est fragilisée et sa performance balistique réduite. A l’heure actuelle, il n'existe pas de solution technique permettant d’améliorer efficacement la résistance multi-impact des matériaux composites. La solution préférée reste à ce jour le matériau composite 2D combiné à des variantes de réalisation des couches de renfort qui le compose, telles que des couches unidirectionnelles (UD). La recherche d’un compromis entre l’endommagement du matériau composite et l’absorption d'énergie est donc difficile à trouver. En outre, dans un autre domaine technique qui est celui de l’assemblage par collage de pièces structurelles, on cherche à améliorer et à renforcer les zones d’assemblage ou les jonctions entre les pièces assemblées en utilisant un insert textile texturé, comme décrit dans la publication WO 2019/081441 de la demanderesse, et dans lequel l’invention peut s’appliquer avantageusement. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un nouveau renfort textile capable d’augmenter significativement la résistance dans l’axe Z d’une jonction entre des éléments assemblés, ainsi qu’un nouveau matériau composite obtenu à partir de ce renfort textile, capable d’augmenter significativement le renforcement inter-laminaire, permettant ainsi de répondre au compromis entre endommagement et absorption d’énergie, qui soit également capable de résister au multi-impact, en réduisant fortement voire en évitant le délaminage des couches de renfort, tout en maintenant une performance balistique équivalente voire supérieure au matériau composite 2D. L’objectif de l’invention est également la réalisation d’un renfort textile et d’un matériau composite, légers et performants au moyen d’un procédé industriel permettant de répondre aux exigences de production, de reproductibilité et de coût, et en outre d’alléger le soldat ou le véhicule qui en est équipé dans le domaine spécifique de la protection balistique. Dans ce but, l'invention concerne un renfort textile caractérisé en ce qu’il comporte un complexe textile réalisé en trois dimensions 3D, défini par une surface principale en deux dimensions XY et une épaisseur formant la troisième dimension en Z, en ce que l’épaisseur dudit complexe textile est obtenue par des fils transversaux s’étendant des deux côtés de ladite surface principale, et en ce que ledit renfort textile comporte en outre une matrice thermofusible intégrée dans ledit complexe textile et préférentiellement intégrée dans au moins une partie desdits fils transversaux. La matrice thermofusible peut représenter 2% à 35% en masse du complexe textile 3D, ou 10% à 95% en masse des fils transversaux. Elle est avantageusement intégrée dans lesdits fils transversaux par un procédé choisi dans le groupe comprenant le craquage, le filage, le poudrage, le retordage, le guipage, l’enduction. Selon le mode de réalisation, la matrice thermofusible peut se présenter dans une forme choisie dans le groupe comprenant des filaments, fibres courtes ou longues, particules, poudre, enduit, revêtement, et peut être obtenue dans une matière thermofusible choisie dans le groupe comprenant les polyéthylènes, polyamides et co-polyamides, polyesters et co-polyesters, polyuréthanes thermoplastiques, copolymères à blocs styrènes type styrène butadiène styrène et dérivés, les époxy thermoplastiques, des élastomères thermoplastiques, et une combinaison de tout ou partie de ces matières. De manière préférentielle, le complexe textile 3D est constitué d’un velours double face, comportant une armure de fond tissée à partir de fils de chaine et de fils de trame, sur laquelle sont fixés des fils de poil, placés en chaine ou en trame, formant des boucles qui sont ensuite coupées et brossées ou émerisées, pour créer lesdits fils transversaux sous la forme de poils. Le titre des fils de poils est préférentiellement inférieur au titre des fils de chaine et des fils de trame dans un rapport compris entre 0,1 à 0,6. La surface massique du velours peut être comprise entre 200 et 600 g/m 2 , et la densité de fils de poil par unité de surface dudit velours peut être comprise entre 10 à 200 fils/cm 2 . La hauteur des poils peut être en outre comprise entre 0,1 et 1,5mm. Les fils de chaine, les fils de trame et les fils de poils peuvent être choisis dans le groupe comprenant les matières suivantes : aramide, lin, polyester, carbone, verre, basalte, viscose, polyamide, polyéthylène, quartz, polymères à cristaux liquides (LCP), poly(p-phénylène-2,6-benzobisoxazole) (PBO), et une combinaison de tout ou partie de ces matières. L’invention concerne également un matériau composite, caractérisé en ce qu’au moins une partie des renforts textiles correspond au renfort textile tel que défini ci-dessus, et en ce que, lors de l’assemblage sous pression à chaud, lesdits renforts textiles se lient entre eux dans les trois dimensions XYZ au moins par les fils transversaux qui contiennent la matrice thermofusible), qui s’interpénètrent entre eux et aux renforts textiles adjacents, et qui s’aplatissent sous la pression pour former une couche d’interface entre les renforts textiles, ayant pour effet de consolider ledit matériau composite en permettant une continuité fibreuse et un ancrage mécanique entre lesdits renforts textiles. Selon les modes de réalisation dudit matériau composite et ses applications, au moins une autre partie des renforts textiles peut être constituée d’un complexe textile en deux dimensions 2D, défini par une surface principale en deux dimensions XY, et l’empilage des renforts textiles peut être obtenu en combinant des complexes textiles 2D et des complexes textiles 3D. Les renforts textiles dits externes, formant respectivement la face avant et la face arrière dudit matériau composite peuvent être constitués d’un complexe textile 2D ou d’un complexe textile 3D simple face pourvu de fils transversaux d’un seul côté, et les renforts textiles dits internes situés entre la face avant et la face arrière dudit matériau composite peuvent être constituées d’un complexe textile 3D double face pourvu de fils transversaux des deux côtés, ou d’une alternance d’un complexe textile 3D et d’un complexe textile 2D. Ledit matériau composite peut en outre comporter une structure textile à gradient de performances, dans laquelle tout ou partie des renforts textiles présentent des caractéristiques différentes pour varier les propriétés mécaniques dudit matériau composite dans son épaisseur entre sa face avant et sa face arrière. Grâce à l’invention, le fait d’intégrer la matrice dans tout ou partie des fils transversaux des renforts textiles permet d’augmenter significativement le renforcement inter-laminaire du matériau composite ou d’une jonction entre des éléments assemblés. Dans le domaine de la protection balistique, cette augmentation significative du renforcement inter-laminaire implique de consommer beaucoup d’énergie pour rompre l’interface entre les renforts textiles, permettant ainsi de réduire drastiquement la surface endommagée en cas d’impact. En outre, l’invention permet de favoriser les mouvements relatifs entre les fils de la surface principale de chacun des renforts textiles, permettant ainsi de dissiper efficacement l’énergie de l’impact. En conclusion, l’augmentation des performances inter-laminaires est obtenue sans atténuation du pouvoir d’arrêt et du taux de déformation du matériau composite pour une meilleure résistance aux impacts multiples. En outre, cette solution technique permet d'ajuster le comportement du matériau composite à la résistance au délaminage souhaitée, en fonction de la quantité de matrice dans les fibres transversales, et de la quantité de fibres transversales par unité de surface, dans les renforts textiles. Elle permet également de créer au sein dudit matériau composite un gradient de fonctions, en variant les propriétés entre les renforts textiles superposées. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : est une vue schématique en perspective d’un matériau composite selon l’invention, est une vue en plan agrandie d’une partie de la structure textile du matériau composite selon un premier mode de réalisation comportant un empilement de renforts textiles bidimensionnels et tridimensionnels alternés, est une vue en plan agrandie d’une partie de la structure textile du matériau composite selon un deuxième mode de réalisation comportant un empilement de renforts textiles tridimensionnels, est une vue en plan agrandie d’une partie d’un renfort textile formé d’un velours trame, avant la coupe des fils de poil, est une vue similaire à la du renfort textile formé d’un velours trame, après la coupe des fils de poil, est une vue en plan agrandie d’une partie d’un renfort textile formé d’un velours chaine, avant la coupe des fils de poil, est une vue similaire à la du renfort textile formé d’un velours chaine, après la coupe des fils de poil, est une vue agrandie d’un échantillon de fil de poil comportant la matrice du matériau composite, selon une première variante de réalisation, est une vue similaire à la d’un fil de poil comportant la matrice du matériau composite, selon une deuxième variante de réalisation, est une vue similaire à la d’un fil de poil comportant la matrice du matériau composite, selon une troisième variante de réalisation, et est une vue similaire à la d’un fil de poil comportant la matrice du matériau composite, selon une quatrième variante de réalisation. Renfort textile pour fabriquer tout ou partie d’un matériau composite, caractérisé en ce que ledit renfort textile comporte un complexe textile réalisé en trois dimensions 3D, défini par une surface principale en deux dimensions XY et une épaisseur formant la troisième dimension en Z, en ce que l’épaisseur dudit complexe textile est obtenue par des fils transversaux s’étendant des deux côtés de ladite surface principale, et en ce que ledit renfort textile comporte en outre une matrice thermofusible (2) intégrée dans ledit complexe textile et préférentiellement intégrée dans au moins une partie desdits fils transversaux. Renfort textile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice thermofusible représente 2% à 35% en masse du complexe textile 3D. Renfort textile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice thermofusible représente 10% à 95% en masse des fils transversaux. Renfort textile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice thermofusible est intégrée dans lesdits fils transversaux par un procédé choisi dans le groupe comprenant le craquage, le filage, le poudrage, le retordage, le guipage, l’enduction. Renfort textile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice thermofusible se présente dans une forme choisie dans le groupe comprenant des filaments, fibres courtes ou longues, particules, poudre, enduit, revêtement, et est obtenue dans une matière thermofusible choisie dans le groupe comprenant les polyéthylènes, polyamides et co-polyamides, polyesthers et co-polyesthers, polyuréthanes thermoplastiques, co-polymères à blocs styrènes type styrène butadiène styrène et dérivés, les époxy thermoplastiques, des élastomères thermoplastiques ou une combinaison de tout ou partie de ces matières. Renfort textile selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le complexe textile 3D est constitué d’un velours double face, comportant une armure de fond tissée à partir de fils de chaine et de fils de trame, sur laquelle sont fixés des fils de poil, placés en chaine ou en trame, formant des boucles qui sont ensuite coupées et brossées ou émerisées, pour créer lesdits fils transversaux sous la forme de poils. Renfort textile selon la revendication 6, caractérisé en ce que le titre des fils de poils est inférieur au titre des fils de chaine et des fils de trame dans un rapport compris entre 0,1 à 0,6. Renfort textile selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface massique du velours est comprise entre 200 et 600 g/m 2 , et en ce que la densité de fils de poil par unité de surface dudit velours est comprise entre 10 à 200 fils/cm 2 . Renfort textile selon la revendication 6, caractérisé en ce que la hauteur des poils est comprise entre 0,1 et 1,5mm. Renfort textile selon la revendication 6, caractérisé en ce que les fils de chaine, les fils de trame et les fils de poils sont choisis dans le groupe comprenant les matières suivantes : aramide, lin, polyester, carbone, verre, basalte, viscose, polyamide, polyéthylène, quartz, polymères à cristaux liquides (LCP), poly(p-phénylène-2,6-benzobisoxazole) (PBO), ou une combinaison de tout ou partie de ces matières. Matériau composite (10) comportant un empilement de renforts textiles (1, 1’) liés entre eux par une matrice thermofusible (2) après assemblage sous pression à chaud, caractérisé en ce qu’au moins une partie des renforts textiles (1) correspond au renfort textile selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, et en ce que, lors de l’assemblage sous pression à chaud, lesdits renforts textiles (1) se lient entre eux dans les trois dimensions XYZ au moins par les fils transversaux qui contiennent la matrice thermofusible (2), qui s’interpénètrent entre eux et aux renforts textiles adjacents, et qui s’aplatissent sous la pression pour former une couche d’interface entre les renforts textiles, ayant pour effet de consolider ledit matériau composite (10) en permettant une continuité fibreuse et un ancrage mécanique entre lesdits renforts textiles. Matériau composite selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’au moins une autre partie des renforts textiles (1’) est constituée d’un complexe textile en deux dimensions 2D, défini par une surface principale en deux dimensions XY, et en ce que l’empilage des renforts textiles (1, 1’) est obtenu en combinant des complexes textiles 2D et des complexes textiles 3D. Matériau composite selon l’une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que les renforts textiles (1, 1’) dits externes, formant respectivement la face avant et la face arrière dudit matériau composite (10) sont constitués d’un complexe textile 2D ou d’un complexe textile 3D simple face pourvu de fils transversaux d’un seul côté, et en ce que les renforts textiles (1, 1’) dits internes situés entre la face avant et la face arrière dudit matériau composite (10), sont constituées d’un complexe textile 3D double face pourvu de fils transversaux des deux côtés, ou d’une alternance d’un complexe textile 3D et d’un complexe textile 2D. Matériau composite selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu’il comporte une structure textile à gradient de performances, dans laquelle tout ou partie des renforts textiles (1, 1’) présentent des caractéristiques différentes pour varier les propriétés mécaniques dudit matériau composite dans son épaisseur entre sa face avant et sa face arrière.