EP0185720A1 - Realisation d'un preimpregne fibres/metal ou mineral pour la realisation d'objets composites de haute performance - Google Patents
Realisation d'un preimpregne fibres/metal ou mineral pour la realisation d'objets composites de haute performanceInfo
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Definitions
- the object of the present invention is to carry out this interpenetration a priori so that during the fusion any unitary fiber is coated followed by a protective cladding. To do this, we proceed by the following steps:
- the reinforcing fibers will be fibers having temperature resistance compatible with the metal matrix envisaged, such as silicon carbide fibers, alumina fibers or carbon fiber.
- the metals envisaged will depend on the application chosen and existing in powder form, the particle sizes of which will be of the order of the magnitude of the fiber envisaged, that is to say from 5 to 20 microns.
- Particularly suitable for the implementation of the invention of aluminum powders but it is understood that other metallic powders such as iron, lead, copper, tin, magnesium, zinc or alloys may be suitable.
- the covering of continuous wicks loaded with metallic powder which is a characteristic of the invention, is such that they operate without causing the metal particles impregnating the wick to melt.
- the metal must be sufficiently malleable and the sheathing reaches a thickness as small as possible (from 5 to 20 microns) ; example: copper.
- This metal must also be compatible with the base metal constituting the powder so that the final composite retains properties such as temperature resistance or chemical resistance,
- Another characteristic of the present invention is to describe a device making it possible to achieve the object of the present invention which is to cover wicks.
- This non-limiting device consists of:
- EXAMPLE I A covering by covering with a wick of alumina silicate charged with spun aluminum powder, also produced by Péchiney.
- Fiber SUMITOMO alumina silicate. 1,000 filaments with a unit diameter of the 17 micron filament.
- Gimping speed on advancement of the fiber 4 m / minute.
- the material forming the subject of the invention is used to make a tube by the winding technique filamentary.
- the prepreg wire unwinds along an angular path of 54o to wind on a ceramic matrix.
- the fusion and therefore the bonding of the product on itself is done at the place of application of the profile on itself by an inductor in a reducing atmosphere greater than 100 ° to the melting point of aluminum.
- the metal regains its fluidity and diffuses through the fibers - forward speed: 5 meters / minute.
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Abstract
Procédé de fabrication d'objets constitués de métaux ou minéraux servant de matrices à des fibres continues et caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: introduction à l'intérieur de la mèche de fibre continue formée de milliers de filaments unitaires du métal ou minéral sous forme de poudre ayant une granulométrie du même ordre de grandeur de ces filaments unitaires; recouvrement de ladite mèche ainsi imprégnée par un gainage permettant la rétention des grains de poudre métalliques ou minérales sans fusion de cette poudre pour permettre l'obtention d'une mèche restant souple; mise en oeuvre de sous-produits tels que tresses, tricots, tissus restant souples. Le composite sera alors obtenu par fusion de la matrice puis pressage, calandrage et refroidissement, ou frittage.
Description
REALISATION D'UN PREIMPREGNE FIBRES/METAL OU MINERAL POUR LA REALISATION D'OBJETS COMPOSITES DE HAUTE PERFORMANCE. Les objets composites"haut de gamme" sont des objets utilisés dans des secteurs de pointe pour lesquels la tenue en température est importante (pièces moteurs).
Les composites actuels sont réalisés avec des matrices soit polymériques pouvant permettre des températures continues jusqu'à 300° C. avec des polymères de type époxydiques (200°C.) ou PEEK (polyether ethercétone), soit des matrices hautes températures tel que le carbone (I.200°C). Les matrices métalliques ou minérales tel l'aluminium existent mais la réalisation des pièces complexes pose des problèmes de technologies de mise en oeuvre, ces métaux devant être utilisée en fusion ou en vaporisation.
Les technologies existantes connues sont peu applicables. Il faut en effet réaliser l'objet fibre et essayer de faire pénétrer la matrice par pression au sein des fibres unitaires. L'interpénétration au niveau de la fibre unitaire est complexe et pas toujours réalisée. Or, un composite est d'autant plus résistant 'que cette interpénétration est meilleure.
Le but de la présente invention est de réaliser cette interpénétration à priori pour que lors de la fusion toute fibre unitaire soit enrobée suivie d'un gainage de protection. Pour ce faire, on procède par les étapes suivantes:
- Introduction des grains de poudre du métal ou du minéral envisagé comme matrice au sein de la mèche de fibres continues.
- Celle-ci aura été auparavant épanouie par un système d' embarrage pour aller jusqueà la séparation des fibres unitaires pour permettre à la poudre de se répartir.
Ces particules se trouvant autour de chaque fibre individuelle de la mèche du fait de charges électrostatiques. Ce phénomène est étudié en fonction des fibres et des matrices envisagées. Il pourra s'agir de charger les fibres pour attirer la poudre ou de charger la poudre en mettant les fibres à la masse suivant les types utilisés. Cette mèche chargée de poudre et imprégnée à coeur reçoit
alors par guipage, enduction ou filage une enveloppe extérieure continue laissant les grains de poudre libres de jouer avec les fibres à l'intérieur d'elle-même. Grâce à ce procédé, il est possible d'obtenir des matériaux, un profilé restant souple qui peut se prêter à toutes opérations d'enroulement filamentaire, tissage, tressage, tricotage ouvrant des possibilités qui n'existeraient pas si par exemple les fibres avaient reçu un gainage de produit en fusion puisque le composite aurait déjà été réalisé et que le résultat final serait rigide.
Il est possible d'obtenir un matériau préimprégné présentant des taux matrices/fibres variables qui, suivant les besoins technologiques actuels varieront en volume de 40 à 80% de fibres.
Les fibres de renforcements seront des fibres ayant des tenues en températures compatibles avec la matrice métallique envisagée, telles que fibres de carbure de silicium, fibres d'alumine ou fibre de carbone. Les métaux envisagés seront fonction de l'application choisie et existant sous forme de poudre dont les granulométries seront de l'ordre de la grandeur de la fibre envisagée, c'est-à-dire de 5 à 20 microns. Conviennent particulièrement pour la mise en oeuvre de l' invention des poudres d'aluminium, mais il est bien entendu que d'autres poudres métalliques telles que fer, plomb, cuivre, étain, magnésium, zinc ou alliages peuvent convenir. Le recouvrement des mèches continues chargées de poudre métallique qui est une caractéristique de l'invention, est tel qu'ilsopère sans porter à la fusion les particules de métal imprégnant la mèche.
On utilise: - soit un guipage de fil continu constitué du même métal que la poudre , - soit un passage dans un métal en fusion à plus bas point de fusion que la poudre métallique introduite.
Pour que l'intérêt de l'invention subsiste, c'est-à-dire que la souplesse soit conservée, il faut que le métal soit suffisamment malléable et que le gainage atteigne une épaisseur la plus réduite possible (de 5 à 20 microns);
exemple: cuivre.
Il faut également que ce métal soit compatible avec le métal de base constituant la poudre pour que le composite final conserve des propriétés telles que tenue en température ou résistance chimique,
- soit par filage suivant les mêmes principes que ceux évoqués dans le chapitre précédent.
- soit par extrusion d'une gaine de matériaux tels que des polymères. Ce matériau sera éliminé par calcination lors de la fabrication de la pièce composite avant fusion de la matrice métallique. Dans le cas d'enroulement filamentaire, par exemple, les deux processus pouvant se faire au défilé et en continu. Une autre caractéristique de la présente invention est de décrire un dispositif permettant de réaliser l'objet de la présente invention qui est de recouvrir des mèches.
Ce dispositif non limitatif consiste en:
EXEMPLE I. Un recouvrement par guipage d'une mèche de silicate d'alumine chargée de poudre d'aluminium filé, également produit par Péchiney.
Les caractéristiques des produits sont les suivantes:
(1) Fibre: Silicate d'alumine de SUMITOMO. 1.000 filaments de diamètre unitaire du filament 17 microns.
Densité: 3.25.
(2) Poudre: Aluminium stabilisé Y X 16 de Péchiney de gra:nulometrie moyenne de 20 microns. (3) Gaine: Fil d'aluminium produit par les ateliers de Commercy.
Vitesse de guipage sur avancement de la fibre: 4 m/minute.
Le profilé souple obtenu répond à l'analyse suivante: Fibre: 50% en volume
Poudre d'aluminium: 35% en volume Gaine: 15% en volume
EXEMPLE II.
On utilise le matériau faisant l'objet de l'invention pour réaliser un tube par la technique de l'enroulement
filamentaire.
Dans ce cas, le fil préimprégné se déroule suivant un chemin angulaire de 54º pour se bobiner sur une matrice céramique . La fusion et donc le collage du produit sur lui-même se fait à l'endroit de l'application du profilé sur lui-même par un inducteur en atmosphère réductrice supérieur de 100° au point de fusion de l'aluminium . Lors de la fusion, le métal reprend sa fluidité et se diffuse au milieu des fibres - vitesse d'avancement: 5 mètres/minute.
Pour accélérer la vitesse d'application, un préchauffage du préimprégné peut être envisagé» Sans ce renforcement, un tel tube n'aurait en métal seul qu'une résistance circonferentielle moitié de sa résistance longitudinale.
Par ce renfort, la résistance circonferentielle peut être multipliée par deux et permettra donc de réduire les épaisseurs de métal de l'objet final, d'où allégement lié à la résistance thermique utile dans des applications aéronautiques, par exemple. EXEMPLE III.
1. Fibre de carbone TORAYA 6.000 filaments.
2. Poudres sous forme de poudre de carbone de 3 microns. 3. Gainage par extrusion d'un polyamide en continu autour du préimprégné.
Réalisation d'un empilement après tissage de cette fibre et.-carbonisation de l'ensemble sous vide suivant les techniques connues.
Claims
1. Matériau préimprégné constitué d'une interpénétration de poudre métallique ou minérale dans une fibre dont le point de dégradation est supérieur au point de fusion du métal ou du minéral, poudre conservée au sein de cette fibre par une protection externe continue souple.
2. Matériau selon la revendication I caractérisé en ce que la protection externe est constituée par un gainage métallique de même nature que la poudre de base réalisé par guipage grâce à un fil métallique ou minéral .
3. Matériau selon la revendication I caractérisé en ce que la protection externe est constituée par un gainage métallique d'un alliage de même nature que la poudre et compatible avec la poudre mais de point de fusion inférieur.
4. Matériau selon la revendication I et 3 caractérisé en ce que la protection externe est constituée par un gainage métallique d'un métal différent de la poudre introduite dans les fibres et donnant lors de la réalisation du composite un alliage dont les propriétés intéresseraient des applications particulières.
5.Matériau selon la revendication I caractérisé en ce que la protection externe est constituée par un gainage de polymère ayant la particularité de carboniser pour s'éliminer avant le point de fusion du métal poudre ou minéral introduit à l'intérieur de fibres unitaires.
6. Matériau selon la revendication 3 caractérisé en ce que le gainage s'obtient par passage dans un bain fondu de métal ou de minéral.
7. Matériau selon la revendication 3 caractérisé en ce que le gainage s'obtient par filage du métal ou du minéral autour de la mèche préimprégnée.
8. Matériau selon la revendication I caractérisé en ce que l'interpénétration de la poudre se fait par passage de fibres dans un bain où la poudre est mise en dispersion solvante ou aqueuse.
9. Matériau selon la revendication I caractérisé en ce que la fibre pourra être préenduite en continu par un métal permettant les phénomènes électrostatiques ou d'adhérence entre la fibre initiale et la matrice métallique ou minérale poudre envisagée.
10. Objets à partir des préimprégnés selon les revendications I à 9.
11. Objets à partir des préimprégnés qui seraient découpés pour en constituer les éléments courts pouvant servir par moulage, compression à constituer des pièces armées par fibres après fusion.
12. Matériau suivant la revendication I caractérisé en ce que les produits métalliques utilisés sont des métaux à superplasticité de type alliage d'aluminium (type SUPRAL, par exemple) ou de titane (TIAL 6 V 4, par exemple).
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