FR3149689A1 - Pièce de structure incorporant un capteur et procédé pour sa surveillance. - Google Patents

Pièce de structure incorporant un capteur et procédé pour sa surveillance. Download PDF

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Abstract

Pièce de structure (100) comprenant une partie en un matériau composite comportant une matrice polymère et des fibres de renfort noyées dans la matrice polymère, et au moins un capteur (10) qui est noyé dans ladite partie, le capteur (10) comportant deux couches externes (11, 12) et, entre les deux, un transducteur piézoélectrique comportant deux électrodes (13, 14) appliquées contre un corps piézoélectrique (15), les électrodes (13, 14) étant reliées à des conducteurs (16, 17) de signaux électriques pour transmettre des signaux vers l’extérieur de ladite partie, les couches externes (11, 12) étant chacune en un polymère chimiquement compatible avec la matrice polymère du matériau composite formant ladite partie. Procédé correspondant de surveillance d’une pièce. FIGURE DE L’ABREGE : [Fig. 1]

Description

Pièce de structure incorporant un capteur et procédé pour sa surveillance.
La présente invention concerne le domaine de la surveillance (ou monitoring) de l’intégrité de matériaux, notamment de matériaux composites constituant des pièces de structure mécanique.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
Les structures mécaniques ou les machines comprennent des pièces de structure, à savoir des pièces supportant ou transmettant des efforts. Comme l’endommagement d’une pièce de structure empêche généralement la pièce de structure d’assurer sa fonction, mettant en péril la structure mécanique d’ensemble ou entraînant une défaillance de la machine, il est important de détecter au plus tôt un tel endommagement quand bien même cette pièce de structure ne serait pas visible de l’extérieur de la structure mécanique ou de la machine, ou qu’il serait compliqué d’accéder à celle-ci.
OBJET DE L’INVENTION
L’invention a notamment pour but de permettre la surveillance de l’intégrité d’une pièce de structure en temps réel.
A cet effet, on prévoit, selon l’invention une pièce de structure comprenant une partie en un matériau composite comportant une matrice polymère et des fibres de renfort noyées dans la matrice polymère, et au moins un capteur plat qui est noyé dans ladite partie, le capteur comportant deux couches externes et, entre les deux, un transducteur piézoélectrique comportant deux électrodes appliquées contre un corps piézoélectrique, les électrodes étant reliées à des conducteurs de signaux électriques pour transmettre des signaux vers l’extérieur de ladite partie, les couches externes étant chacune en un polymère chimiquement compatible avec la matrice polymère du matériau composite formant ladite partie.
Par matériaux chimiquement compatibles, on entend que les matériaux peuvent créer entre eux des liaisons à l’échelle moléculaire ou atomique. Les matériaux peuvent être les mêmes ou des matériaux différents. Ainsi, grâce à ces caractéristiques, la présence du capteur n’entraîne pas ou qu’une faible (quelques pourcents) dégradation des performances mécaniques de la partie de pièce dans laquelle le capteur est noyé. Lors d’un endommagement de la pièce de structure au voisinage du capteur, l’onde résultant de la déformation du matériau de la pièce de structure sollicite le corps piézoélectrique qui convertit cette onde en courant électrique proportionnel à l’énergie de l’onde. Le capteur produit un signal sous forme de salves qui peut être analysé pour déterminer la nature et la sévérité de l’endommagement, comme par exemple une rupture de fibre, une rupture d’interface, un délaminage… Un tel signal apparaît avant la rupture complète du matériau et constitue donc une alarme pouvant déclencher une opération de maintenance voire une interdiction d’usage de la pièce en question. Selon le matériau composite et la structure de la pièce (nature et orientation des fibres), le signal apparaît dès 40 à 50% de la contrainte maximale à la rupture du matériau. Les ondes qui peuvent être détectées par un tel capteur sont plutôt dans la gamme des hautes fréquences, de préférence entre 300 kHz et 600 kHz. Si la pièce de structure intègre plusieurs capteurs, il devient possible de localiser la zone endommagée.
De préférence, les électrodes et le corps piézoélectrique sont agencées former un capteur de type QPS (de l’anglaisQuantum Piezoelectric Sensor).
Ce type de capteur est particulièrement bien adapté pour la détection d’émission acoustique telle que celle provoquée par l’endommagement d’une pièce de structure.
Selon un mode de réalisation particulier, le capteur est formé d’un empilement du support, d’une première des électrodes, du corps piézoélectrique, d’une deuxième des électrodes, de la couche de protection.
De préférence, l’empilement a une hauteur inférieure à 200 µm environ et la première couche externe a une épaisseur inférieure à 100 µm environ.
Cette faible épaisseur limite l’impact de la présence du capteur sur les performances mécaniques de la pièce de structure.
Selon une caractéristique particulière du capteur, le corps piézoélectrique comprend une matrice polymère dans laquelle sont noyées des charges piézoélectriques et, de préférence, le corps piézoélectrique comprend avantageusement entre 20% et 50% en volume de charges piézoélectriques et de préférence au moins 30% de charges.
Ceci vise à assurer que le capteur fournisse des signaux qui soient détectables par l’unité de traitement à laquelle le capteur est raccordé et permet une fabrication relativement aisée du capteur.
Les charges sont par exemple des céramiques de type PZT ou BaTiO3ayant une sensibilité d33comprise entre 300 et 600 pC.N-1environ.
On choisit de préférence une céramique ayant une température de Curie supérieure à 150°C voire 200°C car cette température permet aux charges de conserver leur polarisation malgré les contraintes thermiques auquel le capteur est soumis pendant sa fabrication (par exemple lors de la cuisson du composite).
Le polymère du corps piézoélectrique et de son packaging est de préférence un matériau chimiquement compatible avec la matrice polymère du matériau composite formant ladite partie et appartient par exemple au groupe des polymères techniques et thermostables suivant : polyuréthane, polyépoxyde, polyester, polyamide, poly(éther-éther-cétone de phénylène, polyphtalamide, polyéthylène, polyaramide, polynorbonène, formophénolique, bakélite.
L’invention concerne également un procédé de surveillance d’une telle pièce de structure. Le procédé comprend les étapes :
  • lors de la fabrication de la pièce de structure, intégrer dans une partie de la pièce de structure un capteur qui a une rigidité au plus égale à une rigidité finale de ladite partie et qui comporte un support, une couche de protection et entre les deux un transducteur piézoélectrique comportant deux électrodes appliquées contre un corps piézoélectrique, les électrodes étant reliées à des conducteurs de signaux électriques pour transmettre des signaux vers l’extérieur de ladite partie (en mode filaire ou sans fil via une antenne), le support et la couche de protection étant chacun en un polymère chimiquement compatible avec la matrice polymère du matériau composite formant ladite partie ;
  • lors de l’utilisation de la pièce de structure, capturer des signaux transmis par les conducteurs et surveiller une évolution des signaux.
Le procédé de l’invention permet donc de surveiller facilement l’intégrité d’une pièce de structure de son élaboration jusqu’à la fin de sa vie.
De préférence, le capteur est fabriqué par sérigraphie.
Ce mode de fabrication est particulièrement peu coûteux et bien adapté à une fabrication en série.
Avantageusement, le corps piézoélectrique comprend une matrice polymère dans laquelle sont noyées des charges piézoélectriques et le procédé comprend, lors de la fabrication du capteur, une étape de polarisation des charges piézoélectriques pour orienter les dipôles des charges selon une direction de polarisation par rapport au capteur et, lors de l’intégration du capteur dans la pièce de structure, l’étape d’orienter le capteur pour positionner la direction de polarisation par rapport à une direction prédéterminée de sollicitation de la pièce de structure.
Le corps piézoélectrique est alors positionné pour être plus sensible dans la direction de sollicitation prédéterminée.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
la est une vue schématique de dessus d’un capteur selon l’invention ;
la est une vue schématique de ce capteur, en coupe selon la ligne II-II de la ;
la est une vue schématique d’une pièce de structure incorporant un tel capteur, en coupe transversale, avec un dispositif de surveillance de la pièce de structure.
la est un exemple de la réponse du capteur en fonction de la charge exercée sur la pièce jusqu’à l'endommagement du matériau composite de la pièce ;
la illustre la baisse d’amplitude de la réponse du capteur en fonction de la distance lors d’un test Hsu Nielsen.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence aux figures, l’invention est ici décrite en application à une pièce de structure 100 telle qu’une pale d’éolienne, un châssis de véhicule, un carter de pompe ou de turbine, une structure de bâtiment… Comme on peut le voir, les applications de l’invention sont nombreuses et variées.
La pièce de structure 100 est réalisée en un matériau composite comprenant une matrice de polymère et des fibres de renfort noyées dans la matrice de polymère (quelques fibres de renfort ont été symbolisées sur la , avec un grossissement pour les rendre visibles). Les fibres sont par exemple en verre, carbone ou polyaramide.
Selon l’invention au moins un capteur généralement désigné en 10 est noyé dans une partie de la pièce de structure 100. Le capteur 10 est plat, c’est-à-dire que son épaisseur est faible par rapport à ses autres dimensions. On a par exemple une épaisseur de 200 µm pour un capteur ayant une surface principale de 20 mm par 60 mm (parallèlement au plan principal du capteur).
Le capteur 10 comportant deux couches externes - à savoir un support 11 électriquement isolant et une couche d’isolation électrique 12 - et, entre les deux, un transducteur piézoélectrique comportant deux électrodes 13, 14 appliquées contre un corps piézoélectrique 15. Le capteur 10 est ici formé d’un empilement du support 11, de l’électrode 13, du corps piézoélectrique 15, de l’électrode 14, de la couche d’isolation électrique 12. Les électrodes 13, 14 et le corps piézoélectrique 15 sont agencés pour former un capteur de type QPS. Les électrodes 13, 14 sont reliées chacune à un conducteur 16, 17 électrique formé par une piste conductrice s’étendant sur le support 11 jusqu’à déboucher à l’extérieur du capteur 10 pour transmettre des signaux électriques produits par le transducteur vers l’extérieur de la pièce de structure 100. Les pistes conductrices sont par exemple réalisées dans une encre à base de particules d’argent, de carbone ou tout autre matériau conducteur.
Le corps piézoélectrique 15 comprend une matrice polymère dans laquelle sont noyées des charges piézoélectriques (quelques charges piézoélectriques, de taille micro ou nanométrique, ont été symbolisées sur la , avec un grossissement pour les rendre visibles). De préférence, le corps piézoélectrique comprend au moins 30% de charges. Les charges sont par exemple des céramiques de type PZT ou BaTiO3ayant une sensibilité d33(la sensibilité d33est la sensibilité selon la direction transverse, c’est-à-dire dans le sens de l’épaisseur, perpendiculairement au plan principal du capteur) comprise entre 300 et 600 pC.N-1environ.
Le support 11, la couche d’isolation électrique 12 et le polymère formant la matrice du corps piézoélectrique 15 sont chacun en un polymère chimiquement compatible avec la matrice polymère du matériau composite formant ladite partie. Par matériaux chimiquement compatibles, on entend que les matériaux peuvent créer entre eux des liaisons à l’échelle moléculaire ou atomique. Les matériaux peuvent être les mêmes ou des matériaux différents. Le polymère formant la matrice du corps piézoélectrique 15 appartient par exemple au groupe suivant : polyuréthane, polyépoxyde, polyester insaturé, polyamide 11, poly(éther-éther-cétone de phénylène, polyphtalamide, polyéthylène, ou tout autre matériau compatible avec celui de la pièce.
De préférence, l’empilement a une hauteur inférieure à 200 µm environ et le support a une épaisseur inférieure à 100 µm environ.
Les matériaux utilisés et cette hauteur relativement faible permettent d’assurer que le capteur 10 a une rigidité au plus égale à une rigidité de ladite partie de la pièce de structure 100 dans laquelle il est noyé.
Le capteur 10 est ici fabriqué par sérigraphie et intégré dans la pièce de structure 100 lors de la fabrication de la pièce de structure 100. Le support 11 est de préférence réalisé sous la forme d’une feuille sur laquelle seront successivement déposés l’électrode 13, le corps piézoélectrique 15, l’électrode 14, la couche électriquement isolante 12.
Avantageusement, lors de la fabrication du capteur 10, il est procédé à une étape de polarisation des charges piézoélectriques du corps piézoélectrique 15 pour orienter les dipôles des charges selon une direction de polarisation par rapport au support 11 du capteur 10 (les dipôles sont généralement orientés selon l’épaisseur, soit en alignement avec une direction perpendiculaire au plan principal du capteur). Lors de l’intégration du capteur 10 dans la pièce de structure 100, le capteur 10 est orienté pour positionner la direction de polarisation par rapport à une direction prédéterminée de sollicitation de la pièce de structure 100. Le corps piézoélectrique 15 est alors positionné pour être plus sensible dans la direction de sollicitation prédéterminée. Ceci est par exemple intéressant lorsque la pièce de structure 100 présente un chemin d’effort privilégié. Le capteur 10 est alors positionné au voisinage de ce chemin d’effort et orienté en fonction de celui-ci.
Le procédé de surveillance d’une telle pièce de structure comprend les étapes, lors de l’utilisation de la pièce de structure 100, de capturer des signaux transmis par les conducteurs et de surveiller une évolution des signaux pour en déduire un état de la pièce de structure 100.
Pour ce faire, les conducteurs 16 sont reliés à un connecteur 17 permettant de raccorder au capteur 10 un circuit de traitement 110. En variante, les conducteurs 16 sont reliés à une antenne elle-même portée par la pièce de structure 10 et le circuit de traitement 110 est reliée à une antenne de transmission radioélectrique.
Lors d’un endommagement de la pièce de structure 100 au voisinage du capteur 10, l’onde résultant de la déformation du matériau de la pièce de structure 100 sollicite le corps piézoélectrique 15 qui convertit cette onde en courant électrique proportionnel à l’énergie de l’onde. Le capteur 10 produit un signal électrique sous forme de salves qui peut être analysé (forme, fréquence, amplitude maximale et intégrale de l’onde…) par le circuit de traitement 110 pour déterminer la nature et la sévérité de l’endommagement. Si la pièce de structure 100 intègre plusieurs capteurs 10, les signaux transmis varient en fonction de l’éloignement des capteurs 10 par rapport à la zone endommagée et il devient possible de localiser la zone endommagée.
Le circuit de traitement 110 peut être agencé pour traiter en continu les signaux qui sortent du capteur. Alternativement, le circuit de traitement 110 peut être agencé pour traiter périodiquement les signaux qui sortent du capteur. La périodicité peut être fixe ou variable, et sera fixée par un opérateur par exemple en fonction des conditions d’utilisation de la pièce de structure.
On a montré sur les figures 4 et 5 un exemple de réponse d’un capteur selon l’invention.
De préférence, le dispositif est agencé pour avoir un bruit de fond de 40 db et la gamme dynamique est de 60 db. De préférence, le dispositif est agencé pour assurer une distance de détection d’au moins 250 mm.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.
En particulier, le capteur peut avoir une structure différente de celle décrite.
Il peut comprendre un nombre différent de couches. Les électrodes peuvent être côte à côte. Le capteur peut comprendre un support, une première couche électriquement isolante, une première électrode, le corps piézoélectrique, une deuxième électrode, une deuxième couche électriquement isolante, une couche externe.
Les épaisseurs sont indiquées à titre indicatif et peuvent être différentes : l’empilement peut notamment avoir une hauteur supérieure à 200 µm.
Le taux de charges piézoélectriques peut être supérieur ou inférieur à 30%.
Les matériaux peuvent être différents de ceux indiqués tant que la condition de compatibilité est respectée. Le polymère utilisé est un matériau de hautes tenues mécanique et thermique, comme un polymère technique ayant de préférence un module d’Young supérieur à 5 GPa et une tenue à la température supérieure à 200°C. La céramique peut avoir une flexibilité analogue à celle du matériau composite ou au moins une flexibilité suffisante pour ne pas entraver la mise en forme du matériau composite.
On pourra disposer un transducteur piézorésistif sur la pièce équipée du capteur de l’invention. Le transducteur piézorésistif permet de détecter un affaissement global des propriétés du matériau composite révélateur notamment de déformations locales annonciatrices d’un endommagement de la pièce. Le transducteur piézoélectrique a généralement une sensibilité plus importante que celle du transducteur piézorésistif qui lui permet en théorie de révéler plus tôt un endommagement mais qui le rend également plus sensible à des perturbations externes (chocs, vibrations…). Le transducteur piézorésistif permet ainsi de confirmer ou pas l’endommagement révélé par le transducteur piézoélectrique.
On pourra fabriquer l’invention par tout mode de fabrication adapté et notamment ceux mentionnés dans le document EP-A-3320306.
Il est possible de changer la gamme de fréquences auxquelles le capteur est sensible par exemple en modifiant l’agencement des électrodes du transducteur piézoélectrique.
L’invention peut être mise en œuvre en utilisant un système classique de production et de traitement des émissions acoustiques.

Claims (13)

  1. Pièce de structure (100) comprenant une partie en un matériau composite comportant une matrice polymère et des fibres de renfort noyées dans la matrice polymère, et au moins un capteur (10) qui est noyé dans ladite partie, le capteur (10) comportant deux couches externes (11, 12) et, entre les deux, un transducteur piézoélectrique comportant deux électrodes (13, 14) appliquées contre un corps piézoélectrique (15), les électrodes (13, 14) étant reliées à des conducteurs (16, 17) de signaux électriques pour transmettre des signaux vers l’extérieur de ladite partie, les couches externes (11, 12) étant chacune en un polymère chimiquement compatible avec la matrice polymère du matériau composite formant ladite partie.
  2. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle les électrodes (13, 14) et le corps piézoélectrique (15) sont agencées former un capteur de type QPS.
  3. Pièce selon la revendication 2, dans laquelle le capteur est formé d’un empilement d’une première (11) des couches externes (11, 12), d’une première (13) des électrodes (13, 14), du corps piézoélectrique (15), d’une deuxième (14) des électrodes (13, 14), d’une deuxième (12) des couches externes (11, 12).
  4. Pièce selon la revendication 3, dans laquelle l’empilement a une hauteur inférieure à 200 µm environ.
  5. Pièce selon la revendication 4, dans laquelle la première couche externe (11) a une épaisseur inférieure à 100 µm environ.
  6. Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps piézoélectrique (15) comprend une matrice polymère dans laquelle sont noyées des charges piézoélectriques.
  7. Pièce selon la revendication 6, dans laquelle le corps piézoélectrique (15) comprend entre 20% et 50% en volume de charges et de préférence au moins 30% de charges.
  8. Pièce selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle les charges sont des céramiques de type PZT ou BaTiO3ayant une sensibilité d33comprise entre 300 et 600 pC.N-1environ.
  9. Pièce selon la revendication 6, dans laquelle le polymère du corps piézoélectrique (15) est en un matériau chimiquement compatible avec la matrice polymère du matériau composite formant ladite partie.
  10. Pièce selon la revendication 6, dans laquelle le polymère du corps piézoélectrique (15) est un polymère du groupe suivant : polyuréthane, polyépoxyde, polyester insaturé, polyamide 11, poly(éther-éther-cétone de phénylène, polyphtalamide, polyéthylène.
  11. Procédé de surveillance d’une pièce de structure (100) comprenant une partie en un matériau composite comportant une matrice polymère et des fibres de renfort noyées dans la matrice polymère, comprenant les étapes de :
    • lors de la fabrication de la pièce de structure (100), intégrer dans une partie de la pièce de structure (100) un capteur (10) qui comporte deux couches externes (11, 12), et entre les deux un transducteur piézoélectrique comportant deux électrodes (13, 14) appliquées contre un corps piézoélectrique (15), les électrodes (13, 14) étant reliées à des conducteurs (16, 17) de signaux électriques pour transmettre des signaux vers l’extérieur de ladite partie, les couches externes (11, 12) étant chacune en un polymère chimiquement compatible avec la matrice polymère du matériau composite formant ladite partie ;
    • lors de l’utilisation de la pièce de structure, capturer des signaux transmis par les conducteurs (16, 17) et surveiller une évolution des signaux.
  12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le capteur (10) est fabriqué par sérigraphie.
  13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le corps piézoélectrique (15) comprend une matrice polymère dans laquelle sont noyées des charges piézoélectriques et le procédé comprend, lors de la fabrication du capteur (10), une étape de polarisation des charges piézoélectriques pour orienter les charges selon une direction de polarisation par rapport au capteur (10) et, lors de l’intégration du capteur (10) dans la pièce de structure (100), l’étape d’orienter le capteur (10) pour positionner la direction de polarisation par rapport à une direction prédéterminée de sollicitation de la pièce de structure (100).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120971511A (zh) * 2025-10-21 2025-11-18 浙江理工大学 基于压阻纳米纤维传感器的碳纤维复合材料无损检测方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3320306A1 (fr) 2015-07-10 2018-05-16 CPC Technology Capteur d'une caracteristique physique, comportant de preference une structure multicouches
US20180160248A1 (en) * 2015-07-27 2018-06-07 Fujifilm Corporation Electroacoustic transduction film and manufacturing method thereof, electroacoustic transducer, flexible display, vocal cord microphone, sensor for musical instrument
FR3117678A1 (fr) * 2020-12-16 2022-06-17 Arkema France Article composite à base d’une matrice thermoplastique intégrant au moins un transducteur comprenant un polymère piézoélectrique

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