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La présente invention concerne une armure textile
optimisée, du genre texture multicouche liée, susceptible
d'ètre utilisée dans la réalisation de pièces en matériaux
composites fortement sollicitées et/ou soumises aux
impacts. A titre d'exemples de pièces réalisables à partir
de textures selon l'invention, on peut citer les aubes de
soufflantes à large corde pour moteurs d'avions civils,
les bras de carter structuraux pour moteurs d'avions
civils ou militaires, les bords d'attaque ôu les panneaux
autoraidis d'aéronefs.
L'invention a donc pour objet une texture
fibreuse, constituant une préforme textile pour la
réalisation de telles pièces, qui peut être préimprégnée
ou imprégnée par voie liquide, par exemple par le procédé
d'injection "RTM" (Resin Transfer Moulding), ou par voie
gazeuse. Pour ce faire, la préforme textile doit
satisfaire à un certain nombre de critères ou conditions
- Utilisation de fibres à très hautes
performances mécaniques, mais a priori fragiles
au tissage, par exemple des fibres de carbone à
haut module.
- Utilisation de fibres de titrage inhabituel et
élévé en carbone, par exemple de 48 ou 96
kilofilaments, voire plus.
- Taux de liaison optimum dans le sens de
l'épaisseur de la texture.
- Possibilités de réalisation de matériaux
composites à fort taux de remplissage volumique
de fibres, notamment un taux supérieur à 57%
pour des matériaux composites structuraux.
- Linéarité des fils de trame de la texture.
- Angle de liaison faible (notamment inférieur à
15° des fils de chaine avec les fils de trame,
et possibilité de déséquilibrer le tissage afin
de compenser la non-linéarité des fils de chaine
et d'ajuster les propriétés dans le plan de la
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texture~(par exemple avec une proportion de 70%
de fils de chafne et 30~ de f ils de trame).
- Possibilité d'inverser le tissage déséquilibré
(par rotation de l'armure de 90°) afin
d'améliorer la linéarité.
- Obtention d'une texture liée ayant une grande
aptitude à la déformation.
Les structures textiles dites "1D" et "2D", selon
que leurs fibres s'étendent dans une seine direction ou
l0 dans deux directions distinctes, ne satisfont pas, à
l'évidence, aux contraintes indiquées ci-dessus. Les
structures multicouches dites "3D" (avec fibres disposées
suivant trois directions de l'espace) peuvent se
rapprocher, de façon partielle, des objectifs visés dans
le champ d'application de l'invention. Quant aux
structures multïcouches à plus de trois directions de
fibres ("4D", "5D", "9D", "11D"), ces dernières ne peuvent
être exploitées de manière industrielle, du fait notamment
de l'extrême complexité de leur réalisation par des
procédés automatisables.
On revient ici, plus en détail, sur le cas des
structures multicouches du type "3D".
Parmi ces structures, on connait les textures
multicouches "3D" liées par des coutures, qui respectent
parfaitement la linéarité des fils de chaine et qui
présentent l'intérét de comporter des fils de renforcement
selon d'autres angles. Toutefois, ce mode de liage ne
permet pas de conférer, aux matériaux composites obtenus,
une bonne résistance à l'impact.
On connait aussi les textures multicouches "3D"
liées par tissage, en particulier la texture "3D
orthogonal" qui est l'armure présentant la meilleure
linéarité des fils de chaine et de trame, et qui résiste
bien en compression. Toutefois, pour obtenir ici le taux
volumique de fibres désiré, la texture "3D" est comprimée
de telle sorte que les fils disposés suivant la troisième
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direction, n'étant pas linéaires mais plutôt ondulés, ne
participent pas aux transmissions d'efforts.
Les textures multicouches "3D norr orthogonal",
bien que plus adaptées, présentent l'inconvénient de
comporter des angles de liage trop élévés, ce qui est le
cas des armures simples, du genre taffetas multicouche,
satin multicouche ou sergé multicouche, et aussi des
armures plus élaborées, telles que celle connue sous la
dësignation "3X".
La texture particulière de type "3D non
orthogonal" aussi dite "2,5D", décrite dans le document
FR-A-2610951, est l'armure connue à ce jour la plus
optimisée, présentant un faible foisonnement et un fort
pourcentage de surface occupée, toutefois avec une
linéarité faible. Cependant la définition restrictive de
cette texture lui confère des singularités angulaires
préjudiciables à la résistance aux impacts, et limite les
définitions textiles inversables (par rotation à 90° de
l'armure) à des contextures faibles, à moins d'adjoindre
un nombre élevé de couches supplémentaires, préjudiciable
à l'automatisation industrielle.
La présente invention a pour but de remédier à ces
inconvénients, et par consëquent de fournir une texture
nouvelle, possèdant toutes les propriêtés souhaitables
précédemment envisagées, tout en optimisant les transferts
d'efforts et la résistance à la compression, cette texture
restant réalisable par des techniques de tissage
industrielles connues et/ou aisément adaptablés par
l'homme du métier.
A cet effet, l'invention a pour objet une texture
multicouche liée pour matériaux composites structuraux,
dont l'armure de base est constituée, d'une part, par au
moins vingt-huit fils de trame rëpartis en au moins huit
colonnes s'étendant chacune dans le sens de l'épaisseur de
la texture, et disposés en quinconce avec une alternance
de colonnes d'au moins trois fils de trame superposés,
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séparées par un pas déterminé, et de colonnes d'au moins
quatre fils de trame superposés séparées par le méme pas,
les fils de trame étant ainsi disposés sur ~au moins sept
niveaux, et d'autre part, par au moins douze fils de
' 5 chaine disposés sur au moins quatre plans parallèles,
chaque plan contenant au moins trois fils de chaine
parallëles superposés, avec
- un premier fil de chaine reliant le fil de trame
extrême supérieur d'une colonne d'au moins quatre
fils de trame, à un fil de trame intermédiaire
supérieur d'une colonne d'au moins quatre fils de
trame espacée de la précédente par au moins deux
pas, et revenant sur un fil de trame extrème
supérieur d'une colonne d'au moins quatre fils de
trame espacée de la première par au moins quatre
pas,
- au moins un autre fil de chaine reliant un fil de
trame intermédiaire supérieur d'une colonne d'au
moins quatre fils de trame, à un fil de trame
intermédiaire inférieur d'une colonne d'au moins
quatre fils de trame espacé de la précédente par
au moins deux pas, et revenant sur le fil de trame
intermédiaire supérieur d'une colonne d'au moins
quatre fils de trame espacée de la première par au
moins quatre pas,
- un troisième ou dernier fil de chaine reliant un
fil de trame intermédiaire inférieur d'une colonne
d'au moins quatre fils de trame, au fil dé trame
extrème inférieur d'une colonne d'au moins quatre
fils de trame espacée de la précédente par au
moins deux pas, et revenant sur un fil de trame
intermédiaire infêrieur d'une colonne d'au moins
quatre fils de trame espacée de la première par
au moins quatre pas,
les positions des fils de chaîne parallèles étant décalëes
longitudinalement d'un pas, d'un plan à un autre.
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On obtient, selon cette définition, une structure
multicouche à taux de liaison élévé procurant une
amélioration surprenante de la résistance au délaminage,
d'où notamment une grande résistance à l'impact, tout en
5 conservant une déformabilité suffisante pour les
applications envisagées, l'imbrication en quinconce des
fils de trame permettant, pour une contexture donnée, de
réduire l'angle de liaison des fils de chaine et d'éviter
les singularités angulaires sur ces fils.
l0 De toute façon, l'invention sera mieux comprise à
l'aide de la description qui suit, en référence au dessin
schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une
forme d'exécution de cette texture multicouche liée pour
matériaux composites structuraux .
Figure 1 est une vue d'ensemble très schématique,
en coupe, d'une texture multicouche liée conforme à la
présente invention ;
Figure 2 représente en coupe, plus en détail, les
fils de chaine contenus dans un premier plan ;
Figures 3, 4 et 5 sont des vues similaires à
figure 2,, montrant les fils de chaine contenus
respectivement dans un deuxième plan, un troisième plan et
un quatrième plan.
Les figures montrent l'armure de base d'une
structure conforme à la présente invention. Cette armure
de base comprend vingt-huit fils de trame, disposées en
quinconce sur sept niveaux successifs N1 à N7, et répartis
en huit colonnes C1 à C8, soit . .
- une première colonne C1 de quatre fils de trame
superposés 1, 2, 3, 4, situés respectivement aux
niveaux N1, N3, N5, N7,
- une deuxième colonne C2 de trois fils de trame
superposés 5, 6, 7, situés respectivement aux
niveaux N2, N4, N6 ;
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- une troisième colonne C3 de quatre fils de trame
superposës 8, 9, 10, 11, situés respectivement aux
niveaux N1, N3, N5, N7 ; '
- une quatriéme colonne C4 de trois fils de trame
superposês 12, 13, 14, situés respectivement aux
niveaux N2, N4, N6 ;
- une cinquième colonne C5 de quatre fils de trame
superposés 15, 16, 17, 18, situés, respectivement
aux niveaux N1, N3, N5, N7 ;
- une sixième colonne C6 de trois fils de trame
superposés 19, 20, 21, situés respectivement aux
niveaux N2, N4, N6 ;
- une septième colonne C7 de quatre fils de trame
superposês 22, 23, 24, 25, situés respectivement
aux niveaux N1, N3, N5, N7 ;
- une huitië~ne colonne C8 de trois fils de trame
superposés 26, 27, 28, situés respectivement aux
niveaux N2, N4, N6.
Les colonnes C1, C3, C5, C7 formées de quatre fils
de trame superposés sont séparées les unes des autres par
des intervalles constants, correspondant à un pas P
déterminé. Le même pas P sépare les colonnes C2, C4, C6,
C8 formées de trois fils de trame superposés, qui
s'intercalent entre les précédentes. Le motif de base,
précédemment décrit, se répète bien évidemment, dans le
sens longitudinal (sens des fils de haine).
Les fils de trame 1 à 28 sont liés entre eux par
des fils de chaine, au nombre de douze dans l'armure de
base, qui sont disposés sur quatre plans parallèles P1,
P2, P3, P4. La figure 1 montre très schématiquement
l'ensemble des fils de chaine, tandis que les figures 2 à
5 représentent séparément, pour plus de clarté, les fils
de chafne des différents plans P1 à P4. Chacun de ces
plans contient trois fils de chafne parallèles,
superposés, la disposition étant la suivante dans le
détail .
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Dans le plan P1 (figure 2), un premier fil de
chaine 29 relie le fil de trame extrème supérieur 1 de la
colonne Ci au fil de trame intermédiaire s~lpérieur 16 de
la colonne C5, et il revient sur le fil de trame extréme
supérieur correspondant au fil 1, dans le motif de base
suivant. Un deuxième fil de chaine 30 relie le fil de
trame intermédiaire supérieur 2 de la colonne C1 au fil de
trame intermédiaire inférieur 17 de la colonne C5, et il
revient sur le fil de trame intermédiaire supérieur
correspondant au fil 2, dans le motif de base suivant. Un
troisième fil de chaine 31 relie le fil de trame
intermédiaire inférieur 3 de la colonne Cl au fil de trame
extréme inférieur 18 de la colonne C5, et il revient sur
le fil de trame intermédiaire inférieur correspondant au
fil 3, dans le motif de base suivant.
Dans le plan P2 (figure 3), un premier fil de
chaine 32 relie le fil de trame extrème supérieur 8 de la
colonne C3 au fil de trame intermédiaire supérieur 23 de
la colonne C7, et il revient sur le fil de trame extrême
supérieur correspondant au fil 8, dans le motif de base
suivant. Un deuxième fil de chaine 33 relie le fil de
trame intermédiaire supérieur 9 de la colonne C3 au fil de
trame intermédiaire inférieur 24 de la colonne C7, et il
revient sur le fil de trame intermédiaire supérieur
correspondant au fil 9, dans le motif de base suivant. Un
troisième fil de chaine 34 relie le fil de trame
intermédiaire inférieur 10 de la colonne C3 au fil de
trame extrême inférieur 25 de la colonne C7, et il revient
sur le fil de trame intermédiaire inférieur correspondant
au fil 10, dans le motif de base suivant.
Dans le plan P3 (figure 4), un premier fil de
chaine 35 relie le fil de trame extrême supérieur 15 de la
colonne C5 au fil de trame intermédiaire supérieur 2 de la
colonne C1, dans le motif de base suivant, et il revient
sur le fil de trame extrême supérieur correspondant au fil
15, dans le motif de base suivant. Un deuxième fil de
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i
G
¿
8 .
chaîne 36 relie le fil de trame intermédiaire supërieur 16
de la colonne C5 au fil de trame intermédiaire inférieur 3
de la colonne Cl, dans le motif de base suivant, et il
revient sur le fil de trame intermédiaire supérieur
correspondant au fil 15, dans le motif de base suivant. Un
troisième fil de chafne 37 relie le fil de trame
intermédiaire inférieur 17 de la colonne C5 au fil de
trame extrème inférieur 4 de la colonne Cl, dans le motif
de base suivant, et il revient sur le fil de trame
intermédiaire inférieur corrrespondant au fil 17, dans le
motif de base suivant.
Enfin, dans le plan P4 (figure 5), un premier fil
de channe 38 relie le fil de trame extréme supérieur 22 de
la colonne C7 au fil de trame intermédiaire supérieur 9 de
la colonne C3, dans le motif de base suivant, et il
revient sur le fil de trame extrème supérieur
correspondant au fil 22, dans le motif de base suivant. Un
deuxième fil de chaine 39 relie le fil de trame
intermédiaire supérieur 23 de la colonne C7 au fil de
trame intermédiaire inférieur 10 de la colonne C3, dans le
motif de base suivant, et il revient sur le fil de trame
intermédiaire supérieur correspondant au fil 23, dans le
motif de base suivant. Un troisième et dernier fil de
chaine 40 relie le fil de trame intermédiaire inférieur 24
de la colonne C7 au fil de trame extrême inférieur 11 de
la colonne C3, dans le motif de base suivant, et il
revient sur le fil de trame intermédiaire inférieur
correspondant au fil 24, dans le motif de base suivant.
I1 peut étre noté que, d'un plan à un autre, on
retrouve la mème configuration de trois fils de chafne
parallèles, simplement décalée longitudinalement.de la
valeur du pas P précédemment défini.
Bien entendu, cette configuration de base définie
sur quatre plans peut se répéter indéfiniment, dans le
sens transversal, les différents fils de chaîne 29 à 40
formant ainsi des nappes.
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On obtient dans l'ensemble une texture multicouche
liée, qui peut s'étendre de façon indéfinie dans son plan,
par répétition du même motif de base.
A titre d'exemple de matériau réalisé conformément
à cette texture, on peut citer un matériau fabriqué à
partir de fibres de carbone à haute résistance, de densité
égale à 1,81, avec sept niveaux de fils de trame tels que
représentés au dessin, qui après densification par le
procédé "RTM" précité possède une épaisseur E de 7mm,
tandis que la valeur du pas P est égale à 10,9mm
(correspondant à une contexture en trame de 91,5 fils/m),
l'angle de liaison moyen a des fils de chafne étant de
10,4°. Le taux volumique de fibres est de 60%, et le
pourcentage de fils de chaine (rapportê aux fils de trame)
est de 70%. La masse surfacique totale du tissu est de
7602 g/m=, la masse surfacique en trame étant de 2280 g/ma
(répartie en sept niveaux de trame, soit 326 g/m= pour
chaque niveau de trame). Cette texture réalisée avec des
fibres de carbone présentant intrinséquement les
propriétés mécaniques suivantes .
E = 290 GPa
o = 5000 MPa
permet d'obtenir, avec une résine époxyde â hautes
performances, un matériau composite présentant les
propriétés mécaniques suivantes .
E chaine (traction) > 100 GPa
E trame (traction) > 60 GPa
~ chaine (traction) > 1000 MPa
Q chaîne (compression) > 500 MPa
a trame (traction) > 800 MPa
Q trame (compression) > 400 MPa
Ténacité (Gic) > 2500 J/m~
En particulier, cette dernière valeur de 2500 J/m~,
représentant l'énergie de propagation, est à comparer avec
les valeurs obtenues dans le cas des textures appartenant
à l'état de la technique, soit .
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- 1000 J/m= par une structure "3D orthogonal"
- 1500 J/m= pour une structure "3X"
- 2500 J/m= pour une structure "2,5D"
On notera aussi que la résistance à la compression
5 de la structure "2,5D" est de 300 MPa, à comparer avec la
valeur de 500 MPa obtenue avec la texture de l'invention.
La texture multicouche liée, objet de l'invention
peut ètre utilisée pour la réalisation d'une aube de
soufflante à large corde en matériau composite pour moteur
10 d'avion.
Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à
la seule forme d'exécution de cette texture multicouche
liée, qui a été décrite ci-dessus à titre d'exemple ; elle
en embrasse, au contraire, toutes les variantes de
réalisation et d'application respectant le même principe.
C'est ainsi, notamment, que l'armure de base précédemment
décrite peut étre complétée, dans le sens de l'épaisseur,
par adjonction de paires de niveaux de fils de trame et,
dans le sens longitudinal (sens des fils de chaine), par
adjonction de colonnes de fils de trame, sans pour autant
s'éloigner du prïncipe de l'invention. Dans le mème ordre
d'idées, cette texture est réalisable non seulement en
fibres de carbone, mais aussi en fibres de verre,
d'aramide, de silice ou de céramique. Cette texture
multicouche liée n'est pas limitée, dans ses applications,
aux aubes de soufflante ou autres pièces de moteurs
d'avions. ~nfin, la texture multicouche liée objet de la
présente inventian peut étre transformée non seulement par
le procédë "RTM", mais encore par toute autre technique
appropriée, pour parvenir aux matériaux composites
structuraux à obtenir finalement à partir de cette
texture.
