Brevet FR3132721A1 — publié le 20230818

L’invention concerne un procédé de préparation d’une fibre composite comprenant les étapes de : Fourniture d’une préforme comprenant: un matériau amorphe M 1 constitué d’une composition de verre dont la température de transition vitreuse T g M1 est inférieure à 500°C ; un matériau M 2 constitué d’une composition de polymère, amorphe ou semi-cristallin, dont la température de transition vitreuse T g M2 est inférieure à T g M1 ; Les matériaux M 1 et M 2 étant directement au contact l’un de l’autre ; Fibrage de la préforme à une température de fibrage T f , ladite température T f étant à la fois comprise entre : la température de transition vitreuse T g M1 et la température de fusion T m M1 de M 1 de sorte que M 1 est à l’état visqueux à la température T f ; la température de fusion T m M2 et la température de dégradation thermique T d M2 de M 2 de sorte que M 2 est à l’état liquide à la température T f ; ce par quoi on obtient une fibre composite. Figure pour l’abrégé : néant Structures fibrées composites multifonctionnelles Domaine de l’invention La présente invention concerne un procédé de préparation de fibres composites hybrides ainsi que les fibres composites hybrides susceptibles d’être obtenues selon ce procédé. L’invention concerne également l’utilisation de ces fibres dans des dispositifs optiques. Arrière-plan technique Beaucoup d'efforts sont déployés aujourd'hui pour développer des structures multifonctionnelles fibrées à forte valeur ajoutée basées sur l'association de matériaux disparates, apportant chacun une propriété unique à la fibre finale. L'enjeu principal réside d'une part dans l'élaboration de la préforme de départ et d'autre part dans le contrôle précis des propriétés rhéologiques des matériaux qui la composent lors de l'étirage. En effet, l'intérêt du procédé de fibrage provient du fait que le profil macroscopique composite de la préforme de départ sera reproduit homothétiquement au sein de la fibre après étirage. Le fibrage peut en effet être considéré comme une homothétie qui permet in fine la mise en forme avancée de la matière à l'échelle micrométrique, et même nanométrique. A l'heure actuelle, il existe deux principales techniques de mise en forme pour la fabrication de fibres multimatériaux. D’abord on trouve la méthode de fibrage classique qui concerne la grande majorité des fibres produites aujourd'hui. Dans ce cas, plusieurs matériaux peuvent être associés pour former la préforme. Cependant, ils doivent présenter une variation lente de leur viscosité avec la température (verres ou polymères amorphes) et posséder des températures de transitions vitreuses (T g ) proches (écart inférieur à ~30°C). Cette contrainte limite grandement les combinaisons de matériaux possibles et donc les potentielles applications de la fibre alors fabriquée. Seules des structures verre/verre, polymère/polymère ou verre/polymère amorphe peuvent être fabriquées par cette méthode. En effet, en ce qui concerne les associations verre/polymère classiques, seuls les polymères amorphes hautes T g (polyéthersulfone (PES), polysulfones (PSU), etc.) peuvent être associés à des verres pour le co-fibrage direct, ce qui par ailleurs contraint à recourir à des verres présentant des T g basses ( II est cependant possible d'associer au sein de fibres optiques des matériaux dont les propriétés rhéologiques divergent fortement et ainsi former des structures multimatériaux en utilisant un procédé dit de « fibrage fluide », communément désigné « molten core » en anglais. Ce procédé consiste à insérer au sein d'une gaine amorphe, un matériau dont la température de fusion est inférieure à la température de déformation/fibrage de la gaine. Un matériau de cœur est inséré dans une gaine pour former la préforme qui est ensuite fibrée de manière classique. Lors du fibrage de cet assemblage composite, le matériau de cœur forme un bain liquide dont la chute est contrôlée par la gaine ce qui permet ainsi de l'intégrer au sein de la fibre. Le choix du matériau de cœur n'est limité que par sa température de fusion, et typiquement peuvent être utilisés des métaux, des semiconducteurs, des verres à bas point de fusion, des cristaux d'oxides. La demande FR 2 996 563 divulgue la préparation de fibres verre/métal selon un tel procédé. Il a maintenant été découvert que le procédé de fibrage fluide, appliqué jusqu’ici dans l’état de la technique uniquement à des matériaux inorganiques, pouvait avantageusement permettre d’accéder à des à structures hybrides inorganiques/organique, de type verre/polymère, pour lesquelles le polymère organique se trouve entouré par un verre inorganique, notamment à l’intérieur d’une gaine vitreuse inorganique, ou intercalé entre deux couches de verre inorganique. Afin d'illustrer les avantages du procédé, la Figure 2a montre les résultats de l'étirage d'un barreau de polymère semi-cristallin, en l’occurrence de polyétheréthercétone (PEEK), par fibrage classique. En observant un cliché en vue longitudinale de la fibre de polymère semi-cristallin présentée en Figure 2b, on constate de nombreuses irrégularités, principalement des variations de diamètre le long de la fibre. En effet la variation de la viscosité du PEEK avec la température est très abrupte, en comparaison avec des matériaux amorphes. II est alors impossible de contrôler l'écoulement de ce matériau au cours du fibrage. La fabrication de fibres en PEEK par étirage classique est donc compromise. Le procédé de fibrage fluide permet précisément de contrôler l’écoulement du polymère en le gainant avec un matériau amorphe comme du verre, et d’intégrer ainsi le polymère au sein d’une structure en verre. Ce procédé présente plusieurs avantages. Tout d’abord, il permet d'élargir à la fois le champ des polymères pouvant être intégrés à des fibres (extension aux polymères semi-cristallins), mais aussi celui des associations verres-polymères possibles. De plus, l'utilisation de nouveaux matériaux polymères permet d'actualiser les techniques de mise en forme de la préforme de départ et notamment de profiter de la fabrication additive. La préforme pourra alors être totalement ou partiellement imprimée en 3D. Les fibres composites sont par ailleurs particulièrement avantageuses en ce qu’elles permettent de combiner les propriétés d’un matériau inorganique d’une part et organique d’autre part, ouvrant ainsi au développement de dispositifs optiques inédits et originaux. Par ailleurs, elles permettent d’accéder à des géométries complexes grâce à l’impression 3D. Enfin, ces fibres composites ont avantageusement un profil évolutif dans la mesure où elles offrent la possibilité de révéler des structures post-fibrage par dissolution sélective. En effet, ces fibres composites mettent en œuvre des matériaux organiques et inorganiques possédant des réactivités chimiques très différentes. Les polymères présentent par exemple une bonne résistance envers les acides, ce qui n'est pas le cas des verres. lnversement, les verres sont inertes vis-à-vis des solvants organiques, ce qui n'est pas le cas des polymères. Ceci permet de manière avantageuse, d’élaborer des fibres verres/polymères dont certaines parties peuvent être structurées de manière sélective par dissolutions ou attaques chimiques spécifiques. De telles fibres évolutives sont avantageuses pour le développement de capteurs distribués. L’invention concerne ainsi en premier lieu un procédé de préparation d’une fibre composite comprenant les étapes de : Fourniture d’une préforme comprenant: un matériau amorphe M 1 constitué d’une composition de verre dont la température de transition vitreuse T g M1 est inférieure à 500°C ; un matériau M 2 constitué d’une composition de polymère, amorphe ou semi-cristallin, dont la température de transition vitreuse T g M2 est inférieure à T g M1 ; Les matériaux M 1 et M 2 étant directement au contact l’un de l’autre ; Fibrage de la préforme à une température de fibrage T f , ladite température T f étant à la fois comprise entre : la température de transition vitreuse T g M1 et la température de fusion T m M1 de M 1 de sorte que M 1 est à l’état visqueux à la température T f ; la température de fusion T m M2 et la température de dégradation thermique T d M2 de M 2 de sorte que M 2 est à l’état liquide à la température T f ; ce par quoi on obtient une fibre composite. Dans la suite, d’autres caractéristiques avantageuses du procédé de l’invention sont précisées. Ainsi, dans des modes de réalisation, le procédé tel que défini ci-dessus est un procédé dans lequel : le matériau M 2 est entouré en tout ou partie par un ou plusieurs matériaux M 1 ; la préforme comprend une couche de matériau M 2 intercalée entre au moins deux couche de matériau M 1 , les couches de matériau M 1 étant de natures identiques ou différentes, la préforme comprend une couche de matériau M 1 formant matrice, ladite matrice comprenant une ou plusieurs inclusions de matériau M 2 , les inclusions de matériau M 2 étant de nature identiques ou différentes ; les matériaux M 1 et M 2 s’étendent longitudinalement le long de l’axe longitudinal de la préforme ; la préforme a une section transversale circulaire, rectangulaire ou carrée ; la composition de polymère amorphe ou semi-cristallin comprend une ou plusieurs charges ; la charge est choisie parmi les métaux, les semi-conducteurs, les céramiques, les fibres de verre, les nanotubes de carbone, le graphite, les quantum dots, le graphène, ou un mélange de celles-ci ; la composition de verre du matériau M 1 est choisie parmi les verres tellurite, les verres de phosphate, les verres de boro-phosphate, les verres de germanates, les verres de fluorures, les verres de chalcogénures, ou les mélanges de ceux-ci ; la composition de verre est un verre de tellurite. la température de transition vitreuse T g M1 de M 1 est supérieure à 100°C, de préférence, est comprise entre 300 et 500°C. le matériau M 2 est une composition de polymère semi-cristallin ; le polymère est choisi parmi les polyaryléthercétones (PAEK), le polycarbonate, le polyéthylène téréphtalate glycosilé (PETG), les polyamides (PA) ou un mélange de ceux-ci ; le polymère est un polyaryléthercétone (PAEK), de préférence le polyétheréthercétone (PEEK), ou le polyéthercétone (PEK) ; le procédé comprend une étape additionnelle de revêtement de la fibre obtenue à l’étape ii) par un matériau organique ou inorganique M 3 ; le matériau M 3 est choisi parmi les polymères, les métaux ou le carbone ; la fibre obtenue à l’étape ii) est revêtue par un matériau M 3 via un procédé d’enduction par trempage (dip-coating), un dépôt en phase vapeur ou par extrusion par une filière ; le volume de matériau M 2 représente entre 0,02% et 90% du volume total de la préforme ; la préforme à l’étape i) est préparée selon un procédé comprenant les étapes de : Perçage d’une pièce en un matériau M 1 par un ou plusieurs trous suivant l’axe longitudinal de la préforme ; Inclusion à l’intérieur de chacun des trous percés dans le matériau M 1 d’une pièce de matériau M 2 ; et Récupération de la préforme obtenue. la préforme à l’étape i) est préparée selon un procédé comprenant les étapes de : Association de couches de matériaux M 1 et M 2 de manière à former un empilement M 1 /M 2 /M 1 , la couche de matériau M 2 étant intercalée entre deux couches de matériau M 1 ; Adhésion des couches empilées M 1 /M 2 /M 1 entre elles ; et Récupération de la préforme obtenue. l’adhésion des couches empilées M 1 /M 2 /M 1 est réalisée par : Traitement thermique à une température comprise entre T g min et T g min + 50°C, T g min désignant la température de transition vitreuse la plus faible des trois couches M 1 /M 2 /M 1 , et éventuellement Application d’une pression mécanique sur les couches empilées M 1 /M 2/ M 1 pendant l’étape de traitement thermique. la pièce ou couche en matériau M 1 et/ou M 2 est préparée par fabrication additive, notamment par dépôt de filament de polymère pour le matériau M 2 ; la température de fibrage à l’étape ii) est comprise entre la température T g M1 et T g M1 + 100°C ; la température de fibrage à l’étape ii) est comprise entre T m M2 + 50°C et T d M2 -50°C. Selon un deuxième aspect, l’invention concerne une fibre composite susceptible d’être obtenue selon le procédé de l’invention. Selon encore un autre aspect, l’invention concerne une fibre composite comprenant : un matériau amorphe M 1 constitué d’une composition de verre dont la température de transition vitreuse T g M1 est inférieure à 500°C ; un matériau M 2 constitué d’une composition de polymère amorphe ou semi-cristallin ; Les matériaux M 1 et M 2 étant directement au contact l’un de l’autre. Selon encore un autre aspect, l’invention concerne également l’utilisation de fibres composites selon l’invention, dans des composants ou dispositifs optiques, tels que des interféromètres, des capteurs ou sources lasers. Selon encore un autre aspect, l’invention concerne également une préforme pour le fibrage de fibre composite comprenant : un matériau amorphe M 1 constitué d’une composition de verre dont la température de transition vitreuse T g M1 est inférieure à 500°C ; un matériau M 2 constitué d’une composition de polymère, amorphe ou semi-cristallin, dont la température de transition vitreuse T g M2 est inférieure à T g M1 ; les matériaux M 1 et M 2 étant directement au contact l’un de l’autre. Selon encore un autre aspect, l’invention concerne également l’utilisation d’une préforme selon l’invention pour la préparation de fibres optiques composites. Brève description des figures est une description des différentes méthodes de fabrication de fibres multi-matériaux. A gauche : technique de fibrage classique ; à droite : technique de « fibrage fluide » ; au centre : dépôt de revêtement à la surface de la fibre. représente (a) une description du fibrage direct d'un barreau de PEEK. (b) Vue longitudinale de la fibre obtenue. Elle présente de nombreuses irrégularités (variations de diamètre incontrôlées) à partir desquelles les clichés (c) ont été réalisés. est une description de la fabrication d’une préforme selon la méthode du « stack-and-draw ». représente une tour de fibrage : (1) bâtis de la tour ; (2) système de déplacement de la préforme ; (3) arrivée de gaz (N 2 ) ; (4) canne creuse pour attacher la préforme ; (5) bouclier thermique ; (6) enceinte du four ; (7) arrivée de gaz (He) ; (8) canne en silice ; (9) préforme à fibrer ; (10) éléments chauffants ; (11) iris ; (12) mesureur de diamètre ; (13) fibre optique ; (14) tensiomètre ; (15) système d’enroulement ; (16) tambour de stockage. Procédé de préparation d’une fibre composite comprenant les étapes de : Fourniture d’une préforme comprenant: un matériau amorphe M 1 constitué d’une composition de verre dont la température de transition vitreuse T g M1 est inférieure à 500°C ; un matériau M 2 constitué d’une composition de polymère, amorphe ou semi-cristallin, dont la température de transition vitreuse T g M2 est inférieure à T g M1 ; Les matériaux M 1 et M 2 étant directement au contact l’un de l’autre ; Fibrage de la préforme à une température de fibrage T f , ladite température T f étant à la fois comprise entre : la température de transition vitreuse T g M1 et la température de fusion T m M1 de M 1 de sorte que M 1 est à l’état visqueux à la température T f ; la température de fusion T m M2 et la température de dégradation thermique T d M2 de M 2 de sorte que M 2 est à l’état liquide à la température T f ; ce par quoi on obtient une fibre composite. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le matériau M 2 est entouré en tout ou partie par un ou plusieurs matériaux M 1 . Procédé selon la revendication 2, dans lequel la préforme comprend une couche de matériau M 2 intercalée entre au moins deux couche de matériau M 1 , les couches de matériau M 1 étant de natures identiques ou différentes. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la préforme comprend une couche de matériau M 1 formant matrice, ladite matrice comprenant une ou plusieurs inclusions de matériau M 2 , les inclusions de matériau M 2 étant de nature identiques ou différentes. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les matériaux M 1 et M 2 s’étendent longitudinalement le long de l’axe longitudinal de la préforme. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la composition de polymère amorphe ou semi-cristallin comprend une ou plusieurs charges. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la composition de verre du matériau M 1 est choisie parmi les verres tellurite, les verres de phosphate, les verres de boro-phosphate, les verres de germanates, les verres de fluorures, les verres de chalcogénures, ou les mélanges de ceux-ci. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température de transition vitreuse T g M1 de M 1 est supérieure à 100°C, de préférence, est comprise entre 300 et 500°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau M 2 est une composition de polymère semi-cristallin. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le polymère est choisi parmi les polyaryléthercétones (PAEK), le polycarbonate, le polyéthylène téréphtalate glycosilé (PETG), les polyamides (PA) ou un mélange de ceux-ci. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le procédé comprend une étape additionnelle de revêtement de la fibre obtenue à l’étape ii) par un matériau organique ou inorganique M 3 . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température de fibrage à l’étape ii) est comprise entre la température T g M1 et T g M1 + 100°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température de fibrage à l’étape ii) est comprise entre T m M2 + 50°C et T d M2 -50°C. Fibre composite susceptible d’être obtenue selon l’une quelconque des revendications 1 à 13. Fibre composite comprenant : un matériau amorphe M 1 constitué d’une composition de verre dont la température de transition vitreuse T g M1 est inférieure à 500°C ; un matériau M 2 constitué d’une composition de polymère, amorphe ou semi-cristallin, dont la température de transition vitreuse T g M2 est inférieure à T g M1 ; Les matériaux M 1 et M 2 étant directement au contact l’un de l’autre ; et T g M1 - T g M2 ≥ 50°C. Fibre composite selon la revendication 15, dans laquelle le matériau M 1 forme une gaine entourant une âme en matériau M 2 . Utilisation de fibres composites selon l’une quelconque des revendications 14 à 16, dans des dispositifs optiques, tels que des capteurs ou sources lasers. Préforme pour le fibrage de fibre composite comprenant : un matériau amorphe M 1 constitué d’une composition de verre dont la température de transition vitreuse T g M1 est inférieure à 500°C ; un matériau M 2 constitué d’une composition de polymère, amorphe ou semi-cristallin, dont la température de transition vitreuse T g M2 est inférieure à T g M1 ; les matériaux M 1 et M 2 étant directement au contact l’un de l’autre, et T g M1 - T g M2 ≥ 50°C. Utilisation d’une préforme selon la revendication 18 pour la préparation de fibres optiques composites.