FR2852004A1 - Realisation d'une preforme par renforcement d'une structure fibreuse et/ou par liaison entre elles de structures fibreuses et application a la realisation de pieces en materiau composite - Google Patents

Realisation d'une preforme par renforcement d'une structure fibreuse et/ou par liaison entre elles de structures fibreuses et application a la realisation de pieces en materiau composite Download PDF

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Dominique Coupe
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Abstract

On consolide une structure fibreuse poreuse par formation au sein de celle-ci d'un dépôt d'un matériau réfractaire réalisant une densification partielle de la structure fibreuse de manière à lier les fibres de la structure fibreuse entre elles pour permettre à la structure fibreuse d'être manipulée sans être déformée, tout en laissant libre la plus grande partie de la porosité initiale de la structure fibreuse, et on implante des épingles rigides (10) à travers la structure poreuse consolidée (20). Une ébauche est obtenue par renfort d'une structure fibreuse par implantation d'épingles ou par liaison entre elles de structures fibreuses consolidées, la liaison étant réalisée par implantation d'épingles.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne la réalisation d'ébauches fibreuses à partir d'une ou plusieurs structures fibreuses poreuses. Un domaine d'application de l'invention est plus particulièrement la réalisation 10 d'ébauches fibreuses destinées à la fabrication de pièces en matériau composite, notamment de pièces en matériau composite thermostructural.
Les matériaux composites thermostructuraux sont remarquables par leurs bonnes propriétés mécaniques et leur capacité à conserver ces propriétés à des températures élevées. Ils sont utilisés notamment pour 15 constituer des pièces structurales dans les domaines aéronautique et spatial. Des exemples typiques de matériaux thermostructuraux sont les matériaux composites carbone/carbone (C/C) comportant un renfort fibreux en carbone densifié par une matrice en carbone, et les matériaux composites à matrice céramique (CMC). Les matériaux CMC comportent 20 un renfort fibreux formé de fibres réfractaires (carbone ou céramique généralement) et densifié par une matrice céramique ou une matrice mixte carbone/céramique. Une couche d'interphase, par exemple en carbone pyrolytique (PyC) ou nitrure de bore (BN) peut être interposée entre fibres du renfort et matrice céramique pour améliorer le 25 comportement mécanique du matériau.
La réalisation d'une pièce en matériau composite C/C ou CMC comprend normalement l'élaboration d'une préforme fibreuse destinée à constituer le renfort du matériau composite, et la densification de la préforme par une matrice carbone ou céramique, éventuellement après 30 formation d'une couche d'interphase sur les fibres de la préforme.
La préforme est réalisée à partir de textures fibreuses mono- ou bidirectionnelles telles que fils, câbles, rubans, tissus, nappes unidirectionnelles, couches de feutre,... La mise en forme de la préforme comprend par exemple des étapes de bobinage, tissage, tressage, 35 tricotage, drapage de strates.
La densification peut être réalisée par voie liquide, c'est-à-dire par imprégnation de la préforme par une composition liquide contenant un précurseur du matériau carbone ou céramique de la matrice. Le précurseur est typiquement une résine qui, après réticulation, est soumise à un traitement thermique de carbonisation ou céramisation.
La densification peut aussi être réalisée par voie gazeuse, c'està-dire par infiltration chimique en phase vapeur en utilisant une phase gazeuse réactionnelle contenant un ou plusieurs précurseurs de la matrice céramique. La phase gazeuse diffuse au sein de la porosité de la préforme 10 fibreuse pour former, dans des conditions particulières de température et de pression, un dépôt de carbone ou de céramique sur les fibres par décomposition d'un constituant de la phase gazeuse ou par réaction entre plusieurs constituants.
Les processus ci-dessus d'élaboration de pièces en matériau 15 composite C/C ou CMC sont bien connus en eux-mêmes.
Les propriétés mécaniques d'une pièce en matériau composite à renfort fibreux sont notamment dépendantes de la capacité de tenue du renfort fibreux sous différentes sollicitations.
Ainsi, lorsque le renfort fibreux est constitué par une préforme 20 formée par empilement de strates bidimensionnelles, il peut être nécessaire d'assurer une bonne liaison des strates entre elles. Cette tenue du renfort en direction transversale par rapport aux strates (ou direction Z) peut être obtenue de façon bien connue par aiguilletage des strates superposées. Toutefois, l'aiguilletage peut être insuffisant ou difficile à 25 pratiquer. En particulier, dans le cas par exemple de fibres en céramique, l'aiguilletage aura un effet destructeur sur les fibres d'o un affaiblissement de la tenue du renfort dans le plan des strates.
On connaît également des structures fibreuses multicouches dans lesquelles les liaisons entre les couches sont assurées par tissage ou 30 tressage. Toutefois, une bonne tenue mécanique en direction Z requiert un taux de liage important entre couches, ce qui se traduit par une structure fibreuse rigide, peu apte à être mise en forme, même lorsque la mise en forme demande une déformation d'amplitude limitée.
Cet inconvénient se retrouve également dans le cas de 35 structures fibreuses formées de strates liées entre elles par couture. De plus, dans le cas de textures en fibres céramiques, l'utilisation d'un fil céramique pour coudre les strates est délicate.
Par ailleurs, dans le cas de pièces à fabriquer de forme complexe, il peut être difficile, voire impossible, de réaliser en une seule 5 pièce une préforme ayant une forme voisine de la pièce à fabriquer. Une solution connue consiste alors à réaliser la préforme par assemblage de plusieurs structures fibreuses de formes simples. Une liaison efficace entre les structures fibreuses doit alors être réalisée pour éviter une détérioration de la pièce en matériau composite en service par décohésion 10 de la préforme fibreuse de renfort.
Le document W097/06948 décrit un procédé consistant à implanter des épingles rigides à travers une structure formée de strates fibreuses superposées préimprégnées par une résine ou à travers plusieurs structures à assembler formées de strates fibreuses 15 préimprégnées par une résine. Les épingles sont préalablement insérées dans un bloc de matériau compressible, tel qu'un élastomère. Le bloc de matériau compressible muni des épingles est amené sur une surface d'une structure formée de strates préimprégnées. Une énergie ultrasonore est appliquée aux épingles tout en comprimant le bloc dans lequel elles sont 20 insérées de sorte que les épingles sont transférées au sein de la structure formée de strates préimprégnées, de manière à renforcer une telle structure ou à la lier à une structure sous-jacente. Une pièce en matériau composite à matrice résine est ensuite obtenue par réticulation de la résine.
Un tel procédé est limité à la fabrication de matériaux composites à matrice organique. Il est certes indiqué dans le document W097/06948 que les épingles peuvent être insérées après réticulation de la résine. Toutefois, on comprend aisément que le procédé ne peut alors être mis en oeuvre que sur des structures minces, sauf à utiliser des 30 épingles en matériau très rigide et résistant, notamment des épingles métalliques et/ou de diamètre relativement grand. Or, pour des pièces en matériau composite thermostructural destinées à être exposées en service à des températures très élevées, l'utilisation d'épingles métalliques est indésirable, soit en raison de la moindre tenue du métal à ces 35 températures, soit en raison des dilatations différentielles entre le métal et les composants carbone ou céramique du matériau composite. En outre, l'utilisation d'épingles de fort diamètre peut être indésirable en raison de l'hétérogénéité ainsi introduite dans la structure du matériau composite.
Il est aussi indiqué dans le document WO 97/06948 que les épingles peuvent être insérées dans des strates fibreuses sèches, c'est- à5 dire non préimprégnées. Or, cela ne saurait suffire à conférer une tenue suffisante à un ensemble de strates fibreuses ou à plusieurs ensembles réunis, pour leur permettre d'être manipulés sans déformation. L'utilisation d'outillages est alors nécessaire pour conserver la forme voulue avant densification des strates fibreuses, ce qui peut être coûteux et difficile à 10 réaliser notamment dans le cas o les pièces en matériau composite à réaliser sont de forme complexe.
Objet et résumé de l'invention L'invention a pour but de proposer un procédé permettant de 15 réaliser un renforcement d'une structure fibreuse ou une liaison entre plusieurs structures fibreuses sans présenter les inconvénients précités.
Selon un aspect de l'invention, celle-ci a pour objet un procédé de réalisation d'une ébauche fibreuse à partir d'au moins une structure fibreuse poreuse, procédé selon lequel: on consolide la structure fibreuse poreuse par formation au sein de celle-ci d'un dépôt d'un matériau réfractaire réalisant une densification partielle de la structure fibreuse de manière à lier les fibres de la structure fibreuse entre elles pour permettre à la structure fibreuse d'être manipulée sans être déformée, tout en laissant libre la plus grande partie de la 25 porosité initiale de la structure fibreuse, et on implante des épingles rigides à travers la structure poreuse consolidée.
Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci a pour objet un procédé de réalisation d'une ébauche fibreuse par liaison entre elles de structures fibreuses poreuses afin d'obtenir une ébauche de forme 30 désirée, procédé selon lequel: on consolide chaque structure fibreuse poreuse par formation au sein de celle-ci d'un dépôt d'un matériau réalisant une densification partielle de la structure fibreuse de manière à lier les fibres de la structure fibreuse entre elles pour permettre à la structure fibreuse d'être manipulée 35 sans être déformée, tout en laissant libre la plus grande partie de la porosité initiale de la structure fibreuse, on réunit les structures fibreuses consolidées, et on relie celles-ci entre elles par implantation d'épingles en matériau rigide au travers des structures fibreuses consolidées réunies.
L'invention est remarquable en ce que l'implantation des épingles est réalisée au stade de structure fibreuse consolidée.
Il en résulte plusieurs avantages significatifs par rapport à une implantation réalisée sur des structures fibreuses sèches, ou préimprégnées par une résine ou déjà densifiées par une résine réticulée.
En effet, dans une structure fibreuse consolidée, les fibres sont liées entre elles, de sorte que l'implantation des aiguilles peut être réalisée 10 sans déformation de la structure fibreuse et sans qu'il soit nécessaire à cet effet de maintenir la structure fibreuse dans un outillage.
En outre, la structure fibreuse peut être consolidée après avoir été mise en forme. La densité d'implantation d'épingles peut alors être élevée puisque le problème de la capacité de déformation de la structure 15 renforcée ne se pose plus.
Dans le cas notamment de la réalisation d'ébauches de formes complexes, le processus industriel est simplifié. En effet, les ébauches peuvent être réalisées par assemblage de structures fibreuses de formes simples dont la consolidation préalable et séparée est aisée.
De plus, une structure fibreuse consolidée étant partiellement densifiée, un maintien en place des épingles est mieux assuré après leur implantation que dans une structure sèche dans laquelle les fibres restent libres.
De plus encore, la porosité restante d'une structure fibreuse 25 consolidée étant importante, la présence d'un dépôt réalisant une densification partielle ne constitue pas un obstacle à la pénétration des épingles, même dans le cas d'une structure fibreuse de forte épaisseur.
On peut donc utiliser des épingles de faible diamètre réalisées en des matériaux rigides divers compatibles avec l'utilisation envisagée pour 30 l'ébauche.
Avantageusement, la consolidation de la ou chaque structure fibreuse est réalisée en réduisant la porosité d'une quantité au plus égale à 40 % de sa valeur initiale, notamment en réduisant la porosité d'une quantité comprise entre 8 % et 40 % de sa valeur initiale.
Dans le cas o la ou chaque structure fibreuse utilisée a un taux volumique de porosité compris entre 50 % et 70 %, la consolidation est par exemple réalisée pour réduire le taux volumique de porosité jusqu'à une valeur comprise entre 40 % et 60 %. Par taux volumique de porosité d'une structure fibreuse, on entend ici la fraction du volume apparent de la structure fibreuse occupée par la porosité.
La consolidation de la ou chaque structure fibreuse est réalisée par formation d'un dépôt de matériau réfractaire, typiquement carbone et/ou céramique, notamment dans le cas o l'ébauche est destinée à être utilisée pour réaliser une pièce en matériau composite thermostructural.
La consolidation peut alors être effectuée par infiltration 10 chimique en phase vapeur. La consolidation par dépôt céramique peut éventuellement être réalisée après formation sur les fibres de la structure fibreuse d'une couche d'interphase entre fibres et dépôt céramique.
En variante, la consolidation peut être effectuée par imprégnation par une composition liquide contenant un précurseur de 15 carbone ou céramique, et transformation du précurseur en carbone ou céramique, le précurseur pouvant être une résine.
On peut utiliser des épingles réalisées par densification et rigidification d'un fil ou câble par une matrice, par exemple un fil ou câble en carbone ou céramique densifié et rigidifié par une matrice organique.
On peut aussi utiliser des épingles réalisées sous forme de monofilaments rigides, par exemple des monofilaments à âme carbone munie d'un revêtement céramique pouvant être réalisés par dépôt chimique en phase vapeur, ou encore sous forme de baguettes en matériau composite thermostructural tel que C/C ou CMC.
L'implantation des épingles peut être réalisée dans au moins deux directions différentes.
Selon encore un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite à renfort fibreux, selon lequel on réalise une ébauche ayant une forme 30 correspondant à celle de la pièce à réaliser par un procédé tel que défini plus haut, et on réalise ensuite une densification de l'ébauche par dépôt d'une matrice au sein de la porosité restante de la ou chaque structure fibreuse consolidée.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ciaprès, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue très schématique illustrant le renforcement d'une structure fibreuse selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 2 montre très schématiquement une variante de réalisation du procédé de la figure l; la figure 3 est une vue très schématique illustrant la liaison de structures fibreuses selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention; et - la figure 4 est une photographie montrant une ébauche fibreuse consolidée dans laquelle des épingles ont été implantées 15 conformément à l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention L'invention peut être appliquée à différentes structures fibreuses poreuses.
Il s'agit de textures fibreuses tridimensionnelles qui peuvent être notamment: - des structures formées au moins en partie par superposition de textures fibreuses bidimensionnelles telles: que des strates de tissu, tricot ou tresses à plat, des nappes unidirectionnelles formées d'éléments 25 filamentaires parallèles entre eux, des nappes multidirectionnelles formées par empilement et liaison entre elles (par exemple par aiguilletage) de nappes unidirectionelles disposées dans des directions différentes, des couches de feutre, ..., les textures bidimensionnelles pouvant être liées les unes aux autres par exemple par aiguilletage ou couture; - des structures multicouches formées au moins en partie par tissage, tricotage ou tressage tridimensionnel de fils ou câbles, la liaison entre les couches de la structure étant réalisée par des fils ou câbles lors du tissage, tricotage ou tressage; - des structures formées au moins en partie par des feutres 35 épais.
Les textures fibreuses peuvent être sous forme de plaques ou être mises en forme, par exemple par superposition de strates fibreuses sur un support ayant une forme particulière correspondant à celle voulue pour la texture.
Lorsque les textures fibreuses sont destinées à la réalisation d'ébauches pour réaliser des pièces en matériau composite thermostructural, les fibres constituant ces textures sont typiquement en carbone ou en céramique, ou en un précurseur de carbone ou céramique, la transformation du précurseur étant réalisée par traitement thermique à 10 un stade ultérieur à celui de la réalisation de la structure fibreuse.
Que ce soit pour un renforcement d'une structure fibreuse ou pour une liaison de plusieurs structures fibreuses par le procédé selon l'invention, la ou les structures fibreuses poreuses sont d'abord consolidées.
La consolidation est réalisée par dépôt au sein de la structure fibreuse d'un matériau réfractaire liant les fibres de la structure entre elles, de telle sorte que la structure fibreuse peut être aisément manipulée sans être déformée, mais tout en laissant libre la plus grande partie de la porosité initiale de la structure fibreuse.
La consolidation consiste donc en une densification partielle conduisant à une réduction de la porosité initiale, cette réduction étant de préférence au plus égale à 40 % de la porosité initiale, typiquement comprise entre 8 % et 40 %.
Dans le cas d'une structure fibreuse ayant un taux volumique de 25 porosité compris entre 50 % et 70 %, la consolidation conduit typiquement à réduire ce taux à une valeur comprise entre 40 % et 60 %.
La structure fibreuse consolidée reste donc très poreuse.
La consolidation peut être effectuée par infiltration chimique en phase vapeur. Dans ce cas, la structure fibreuse, éventuellement placée 30 dans un outillage la maintenant dans la forme voulue, est placée dans un four dans lequel est introduite une phase gazeuse réactionnelle contenant un ou plusieurs précurseurs du matériau déposé pour la consolidation.
Dans des conditions de pression et de température particulières déterminées, la phase gazeuse diffuse au sein de la porosité de la 35 structure fibreuse pour y former le dépôt de matériau souhaité par décomposition d'un constituant de la phase gazeuse précurseur du matériau, ou par réaction entre plusieurs constituants.
Les processus d'infiltration chimique en phase vapeur, pour former un dépôt de matériau réfractaire tel que carbone ou céramique, sont bien connus.
Ainsi, dans le cas du carbone, on peut utiliser une phase gazeuse comprenant du méthane ou du propane ou un mélange des deux, sous une pression inférieure à 25 kPa, et à une température comprise entre 9500C et 11000C.
Pour un dépôt céramique tel que carbure de silicium (SiC), l'infiltration chimique en phase vapeur est par exemple réalisée à une température d'environ 9000C à 10500C et sous une pression inférieure à 25 kPa en utilisant une phase gazeuse réactionnelle contenant du méthyltrichlorosilane (MTS) précurseur de SiC et du gaz hydrogène (H2)15 Ce dernier fait fonction de gaz vecteur pour favoriser la diffusion de la phase gazeuse réactionnelle au sein de la structure fibreuse et y former un dépôt SiC par décomposition du MTS. Un procédé de formation de matrice SiC par infiltration chimique en phase vapeur est décrit dans le document US 5 738 908.
Une interphase en carbone pyrolytique (PyC) ou nitrure de bore (BN) peut être formée sur les fibres de la structure fibreuse avant dépôt de la phase de matrice SiC de consolidation. Cette interphase peut être formée par infiltration chimique en phase vapeur comme décrit dans le document US 4 752 503.
La consolidation peut aussi être réalisée par voie liquide.
A cet effet, la structure fibreuse, éventuellement maintenue dans un outillage, est imprégnée par une composition liquide contenant un précurseur du matériau à déposer.
Le précurseur est typiquement une résine. Pour réaliser une 30 consolidation par dépôt de carbone, on utilise une résine organique ayant un taux de coke non nul, par exemple une résine phénolique. Pour réaliser une consolidation par dépôt de céramique, par exemple de SiC, on peut utiliser une résine type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS).
La résine peut être mise en solution dans un solvant approprié, par exemple de l'alcool éthylique pour une résine phénolique ou du xylène pour le PCS ou le PTCS.
Après imprégnation, on procède à l'élimination du solvant par 5 séchage, à la réticulation de la résine, et à la transformation de celle-ci en carbone ou céramique par traitement thermique (carbonisation ou céramisation). Ces procédés de mise en place d'un dépôt carbone ou céramique par voie liquide sont bien connus.
Afin de limiter la quantité de matériau déposé pour 10 consolidation, l'imprégnation est réalisée avec une résine ayant un taux de résidu solide pas trop élevé après traitement thermique et/ou avec une résine suffisamment diluée dans un solvant. La plus grande partie de la porosité initiale de la structure fibreuse est restituée, pour une fraction, après séchage et réticulation de la résine, puis, pour le reste, après 15 carbonisation ou céramisation.
La figure 1 illustre de façon schématique un mode d'implantation d'épingles dans une structure fibreuse consolidée aux fins de renforcement de cette structure.
L'implantation est avantageusement réalisée par un processus 20 du type de celui décrit dans le document WO 97/06948. Comme montré par la figure 1, les épingles 10 à implanter sont préalablement insérées dans un bloc 12 de matériau compressible, par exemple une mousse ou un élastomère. Les aiguilles s'étendent entre deux faces opposées 12a, 12b du bloc 12. Le bloc est amené par l'une 12a de ces faces au contact 25 d'une zone de surface 20a de la structure fibreuse consolidée 20 à renforcer. Un transducteur 14 relié à un générateur d'ultrasons (non représenté) est appliqué avec pression sur l'autre face 12b du bloc 12 de manière à transférer les épingles à travers la structure fibreuse consolidée par application d'énergie ultrasonore et compression du bloc 12.
Le processus est répété si nécessaire pour renforcer la structure fibreuse 20 dans sa totalité, ou en partie, selon le besoin en renforcement.
La densité d'implantation est choisie constante ou non selon que l'on souhaite un renforcement homogène ou non de la structure fibreuse.
Dans l'exemple illustré, les épingles 10 sont implantées dans 35 une direction normale à la surface 20a de l'ébauche 20.
Les épingles 10 sont par exemple réalisées en un matériau composite obtenu par densification d'un fil ou câble formé de fibres de carbone ou céramique par une matrice carbone ou une matrice organique, cette dernière étant carbonisée lors de l'élévation en température 5 nécessaire pour achever la densification de l'ébauche. La matrice organique est par exemple formée par une résine de type bismaléimide (BMI).
D'autres matériaux peuvent être utilisés pour les épingles, notamment des monofilaments constitués par une âme en fibres de 10 carbone rigidifiée par un revêtement céramique, par exemple SiC, obtenu par dépôt chimique en phase vapeur. On peut aussi utiliser des baguettes en composite C/C ou en CMC, par exemple en composite alumine/alumine.
On notera aussi que les épingles 10 peuvent être implantées dans une direction inclinée d'un angle non nul par rapport à la normale à 15 la surface 20a de la structure fibreuse 20 consolidée, selon la direction de renforcement souhaitée.
On notera encore que des épingles peuvent être implantées dans plusieurs directions différentes. Ainsi, la figure 2 montre une structure fibreuse 20 dans laquelle des épingles 1lO ont été implantées 20 dans une direction faisant un angle cc non nul par rapport à la normale à la surface 20_, et dans laquelle des épingles 102 sont en cours d'implantation dans une direction faisant un angle È, différent de oc par rapport à la normale à la surface 20a. Dans l'exemple illustré, l'angle 13 est égal et opposé à cx. Outre le renforcement de la structure fibreuse dans 25 des directions privilégiées, l'implantation d'épingles dans des directions différentes peut conférer à celle-ci une résistance accrue au délaminage (séparation entre strates) lorsqu'elle est formée par empilement de strates.
L'implantation dans plusieurs directions différentes peut être 30 réalisée en plusieurs passes successives, comme montré par la figure 2, ou en une seule passe en utilisant un bloc de matériau compressible dans lequel des épingles ont été introduites dans plusieurs directions.
Après implantation des épingles, la structure fibreuse consolidée peut constituer une ébauche pour la fabrication d'une pièce en matériau 35 composite.
A cet effet, l'ébauche est densifiée par une matrice jusqu'à obtenir un degré de densité souhaité.
Pour une pièce en matériau composite thermostructural, on réalise la densification par une matrice carbone ou céramique.
La densification peut être réalisée par infiltration chimique en phase vapeur ou par voie liquide de la même façon que décrit plus haut pour la consolidation.
La figure 3 illustre de façon schématique un mode d'implantation d'épingles dans plusieurs structurés fibreuses consolidées 10 réunies, aux fins de relier ces structures fibreuses entre elles.
Dans l'exemple de la figure 3, une ébauche fibreuse destinée à la réalisation d'une pièce ayant une fonction de caisson est réalisée par liaison entre elles de deux structures fibreuses consolidées 30, 40.
La structure fibreuse 30 est à section en forme de U dont les 15 branches 32, 34 sont prolongées par des ailes 32a, 34a. Elle peut être obtenue par drapage de strates fibreuses sur une forme de profil correspondant. Les strates peuvent être formées de structures fibreuses bidimensionnelles telles que par exemple des couches de tissu, des nappes unidirectionnelles ou multidirectionnelles ou des couches de 20 feutre. Les strates fibreuses, mises en forme et superposées, peuvent être liées entre elles par exemple par aiguilletage ou liage.
En variante, la structure fibreuse 30 peut être obtenue par mise en forme d'un tissu, tricot ou tresse multicouche.
La structure fibreuse 30 maintenue dans sa forme éventuelle25 ment dans un outillage est consolidée par infiltration chimique en phase vapeur ou par voie liquide comme décrit plus haut.
La structure fibreuse 36 est en forme de plaque. Elle peut être obtenue par superposition de strates fibreuses à plat ou par tissage, tricotage ou tressage tridimensionnel ou encore être formée d'une couche 30 de feutre épais.
La structure fibreuse 36 est consolidée par infiltration chimique en phase vapeur ou par voie liquide comme décrit plus haut.
Les structures fibreuses 30, 36 consolidées sont accolées, avec venue de la structure 36 au contact des ailes 32a, 34a. La consolidation 35 des structures fibreuses 30 et 36 pourra avantageusement être réalisée simultanément, les structures fibreuses étant placées l'une contre l'autre.
La liaison entre les structures fibreuses est réalisée par implantation d'épingles 40 à travers les épaisseurs réunies des ailes 32a, 34a et des portions adjacentes de la structure 36.
L'implantation est réalisée comme décrit plus haut. Les épingles 5 40 sont préalablement insérées dans un bloc 42 de matériau compressible tel que mousse ou élastomère. Le bloc 42 est amené par une face 42a au contact de la face 36a de la structure 36 opposée à celle 36b en contact avec les ailes 32a, 34a. Un transducteur 44 relié à un générateur d'ultrasons est appliqué avec pression sur la face 42b du bloc 42 opposée 10 à la face 42a de manière à transférer les épingles 40 à travers les structures 30, 36par application d'énergie ultrasonore et compression du bloc 42.
Les épingles peuvent être implantées perpendiculairement à la structure fibreuse 36 et aux ailes 32a, 34a comme dans l'exemple illustré, 15 ou dans une direction faisant un angle non nul par rapport à la normale à la structure fibreuse 36.
On peut aussi implanter des épingles dans plusieurs directions différentes.
On notera aussi que les structures fibreuses consolidées 30, 36 20 pourront, avant d'être reliées l'une à l'autre, être renforcées par implantation d'épingles.
Les épingles 40 peuvent être réalisées dans les mêmes matériaux que ceux indiqués plus haut pour les épingles 10, notamment en matériau composite obtenu par densification d'un fil ou câble en fibres 25 de carbone ou de céramique par une matrice organique.
Une ébauche fibreuse de forme complexe peut ainsi être réalisée. On pourra bien entendu relier entre elles plus de deux structures fibreuses pour obtenir une ébauche de forme désirée.
On pourra notamment réaliser une ébauche de pièce formée 30 d'une plaque mince, ou voile, munie de raidisseurs, le voile et chaque raidisseur étant consolidés séparément avant d'être assemblés. Des structures fibreuses à section en U, comme la structure 30 de la figure 3, pourront être utilisées pour les raidisseurs.
Une pièce en matériau composite est ensuite obtenue par 35 densification de l'ébauche fibreuse. La densification, par exemple par une matrice carbone ou céramique peut être réalisée par infiltration chimique en phase vapeur ou par voie liquide, de la même manière que la consolidation.
Les exemples qui suivent se rapportent à des essais effectués afin de mettre en évidence la capacité du procédé conforme à l'invention à renforcer/lier des structures fibreuses consolidées.
Exemple 1
Deux plaques fibreuses ont été formées chacune par empilement de 5 couches de tissu SiC à armure toile formé de fils SiC tels 10 que commercialisés sous l'appellation "Hi-Nicalon" par la société japonaise Nippon Carbon. Les plaques fibreuses obtenues avaient un taux volumique de porosité égal à environ 60 %.
La consolidation des plaques fibreuses par formation d'une interphase PyC et dépôt de SiC a été réalisée par infiltration chimique en 15 phase vapeur, le taux volumique de porosité après consolidation étant réduit à environ 50 %.
Des épingles ont été fabriquées par rigidification d'un fil SiC de 500 filaments fourni par la société japonaise Nippon Carbon, la rigidification étant réalisée par densification par une résine BMI. Le 20 diamètre des épingles était égal à environ 0,4 mm.
Les épingles ont été implantées à travers les plaques fibreuses consolidées superposées avec une densité de 16 épingles/cm2. La photographie de la figure 4 montre la surface de l'ébauche fibreuse obtenue. L'implantation des épingles n'a pas soulevé de difficulté 25 particulière.
L'ébauche munie des épingles a été densifiée par une matrice SiC par infiltration chimique en phase vapeur. Au cours de la montée en température préalable à la densification proprement dite, la matrice BMI des épingles a été carbonisée, les épingles conservant leur intégrité.
On a ainsi obtenu une pièce en matériau composite SiC/SiC dans laquelle les couches du tissu SiC de renfort étaient liées par des éléments filamentaires procurant un renfort en direction Z perpendiculaire aux couches de tissu.
La pièce obtenue a été soumise à une contrainte en cisaillement 35 parallèlement aux plans des couches de tissu de renfort. La résistance au cisaillement interlaminaire mesurée était égale à environ 30 MPa.
A titre de comparaison, on a réalisé une pièce à partir d'une ébauche fibreuse formée de 10 couches du même tissu SiC et densifiée de la même façon par une matrice SiC par infiltration chimique en phase vapeur, mais sans implantation d'épingles. La résistance au cisaillement interlaminaire mesurée n'a été que d'environ 20 MPa.
Exemple 2
Une structure fibreuse a été réalisée sous forme d'un tissu multicouches obtenu par tissage tridimensionnel de fil en fibres SiC 10 "Hi-Nicalon" tel que celui utilisé dans l'exemple 1. Le tissu comportait 10 couches et avait un taux volumique de porosité égal à environ 65 %.
La consolidation de la structure fibreuse a été réalisée comme dans l'exemple 1, le taux volumique de porosité après consolidation étant réduit à environ 55 %.
Après consolidation, on a implanté dans la structure fibreuse consolidée des épingles telles que celles de l'exemple 1, avec une densité de 16 épingles/cm2.
L'ébauche obtenue a été ensuite densifiée par une matrice SiC par infiltration chimique en phase vapeur. 20
Exemple 3
On a procédé comme dans l'exemple 2, mais avec une densité d'implantation de 32 épingles/cm2.
Exemple 4
On a procédé comme dans l'exemple 2, mais en utilisant des épingles formées de monofilaments de SiC de diamètre égal à environ 0,15 mm et en implantant les épingles avec une densité de épingles/cm2.
Exemple 5 (comparatif) On a procédé comme dans l'exemple 2, mais sans l'étape d'implantation d'épingles.
Le tableau ci-dessous donne les valeurs des résistances au 35 cisaillement interlaminaire mesurées pour les pièces P2 à P5 telles qu'obtenues selon les exemples 2 à 5 et des résistances à rupture en traction en direction Z perpendiculairement aux couches du tissu de renfort mesurées pour les pièces P3 et P5.
Pièce P2 P3 P4 P5 Résistance au cisaillement interlaminaire (MPa) 35 45 60 25 Résistance à rupture en traction (MPa) il 5 Ces résultats montrent l'amélioration significative apportée à la tenue mécanique des pièces par l'implantation des épingles.
Exemple 6
Une structure fibreuse a été réalisée sous forme d'un tissu 10 multicouches obtenu par tissage tridimensionnel de fil en fibres de carbone. Le taux volumique de porosité du tissu était d'environ 60 %.
Une plaque et un raidisseur à section en A ont été formés avec le tissu obtenu et consolidés séparément par imprégnation par une résine phénolique, polymérisation de la résine puis carbonisation de celle15 ci. Après consolidation, le taux volumique était réduit à environ 50 %.
Les structures consolidées obtenues ont été placées l'une contre l'autre et liées par implantation d'épingles comme décrit en référence à la figure 3.
On a utilisé des épingles constituées par des monofilaments de 20 SiC, la densité d'implantation étant égale à 110 épingles/cm,.
L'ébauche ainsi obtenue a été densifiée par une matrice SiC par infiltration chimique en phase vapeur.
Cet exemple montre l'intérêt du procédé selon l'invention pour réaliser de façon simple des pièces de forme complexe telles que des 25 pièces formées d'une plaque ou voile muni de raidisseurs.

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'une ébauche fibreuse à partir d'au moins une structure fibreuse poreuse, caractérisé en ce que l'on consolide 5 la structure fibreuse poreuse par formation au sein de celle-ci d'un dépôt d'un matériau réfractaire réalisant une densification partielle de la structure fibreuse de manière à lier les fibres de la structure fibreuse entre elles pour permettre à la structure fibreuse d'être manipulée sans être déformée, tout en laissant libre la plus grande partie de la porosité initiale 10 de la structure fibreuse, et on implante des épingles rigides à travers la structure poreuse consolidée.
2. Procédé de réalisation d'une ébauche fibreuse par liaison entre elles de structures fibreuses poreuses afin d'obtenir une ébauche de forme désirée, caractérisé en ce que l'on consolide chaque structure 15 fibreuse poreuse par formation au sein de celle-ci d'un dépôt d'un matériau réfractaire réalisant une densification partielle de la structure fibreuse de manière à lier les fibres de la structure fibreuse entre elles pour permettre à la structure fibreuse d'être manipulée sans être déformée, tout en laissant libre la plus grande partie de la porosité initiale 20 de la structure fibreuse, on réunit les structures fibreuses consolidées, et on relie celles-ci entre elles par implantation d'épingles en matériau rigide au travers des structures fibreuses consolidées réunies.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la consolidation de la ou chaque structure fibreuse 25 est réalisée en réduisant la porosité d'une quantité au plus égale à 40 %/0 de sa valeur initiale.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la consolidation de la ou chaque structure fibreuse est réalisée en réduisant la porosité d'une quantité comprise entre 8 % et 30 40 % de sa valeur initiale.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la ou chaque structure fibreuse utilisée a un taux volumique de porosité compris entre 50 % et 70 % et la consolidation est réalisée pour réduire le taux volumique de porosité jusqu'à une valeur 35 comprise entre 40 % et 60 %.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la consolidation de la ou chaque structure fibreuse est réalisée par formation d'un dépôt de carbone ou de céramique.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la 5 consolidation de la ou chaque structure fibreuse est réalisée par infiltration chimique en phase vapeur.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la consolidation de la ou chaque structure fibreuse est réalisée par formation d'un dépôt céramique par infiltration chimique en phase vapeur après 10 formation sur les fibres de la structure fibreuse d'une couche d'interphase entre fibres et dépôt céramique.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la consolidation de la ou chaque structure fibreuse est réalisée par imprégnation par une composition liquide contenant un précurseur de 15 carbone ou céramique, et transformation du précurseur en carbone ou céramique.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on utilise une composition contenant une résine précurseur de carbone ou céramique en solution.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'on utilise des épingles réalisées par densification et rigidification d'un fil ou câble par une matrice.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'on utilise des épingles réalisées sous forme de 25 monofilaments rigides.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'on utilise des épingles sous forme de baguettes en matériau composite thermostructural.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, 30 caractérisé en ce que l'implantation des épingles est réalisée dans au moins deux directions différentes.
15. Procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite à renfort fibreux, caractérisé en ce que l'on réalise une ébauche ayant une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser par un procédé selon 35 l'une quelconque des revendications 1 à 14 et on réalise ensuite une densification de l'ébauche par dépôt d'une matrice au sein de la porosité restante de la ou chaque structure fibreuse consolidée.
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