Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
WO 2023/281180 1
PCT/FR2022/051221
Description
Titre de l'invention : Nappe électroconductrice
tridimensionnelle tricotée pour constituer une paroi
résistant à la foudre
La présente invention a trait aux parois / surfaces devant résister à la
foudre,
à laquelle elles sont susceptibles d'être exposées de manière particulière.
Elle est
donc par exemple relative, à cet égard, aux pièces de carlingues d'avion.
Les avantages des composites notamment carbone / époxy ne sont plus à
démontrer par rapport à l'aluminium en raison de leur performance mécanique et
1.0
de leur légèreté. Toutefois la réalisation de pièces exposées à la foudre en
composite nécessite de garantir leur résistance à l'impact de foudre, et leur
capacité à écouler les charges électriques le long du fuselage d'avion, par
exemple,
sans endommagement des pièces, alors que la conductivité de l'aluminium est
suffisante pour exercer cette fonction.
Cette fonction anti-foudre est généralement traitée dans les composites
carbone / époxy de plusieurs manières différentes, ne s'excluant pas les unes
les
autres, mais éventuellement cumulatives. Bien qu'étant un bon conducteur, le
carbone est endommagé lors du passage de la foudre, ce qui fait chuter les
performances notamment mécaniques du composite.
Une première manière consiste en l'adjonction d'une couche de surface en
tissage communément désignée sous les termes de tissu gantois (cuivre /
aluminium / bronze) (appelé en anglais copper mesh par exemple)
généralement de très faible grammage (50 ¨ 300, notamment environ 80 g/m2), en
métal déployé, en clinquant percé (disponible notamment chez la Société 3M),
destinée à répartir les charges électriques de manière homogène sur toute la
surface.
Une seconde manière consiste en l'adjonction d'un clinquant plein de
largeur comprise entre 1 et 15 cm et d'épaisseur comprise entre 0,05 et 1 mm,
qui
peut avoir pour fonction de collecter les charges du tissu de cuivre et de les
évacuer vers les autres pièces, à destination de l'arrière de l'avion. Lorsque
l'utilisation d'une couche conductrice n'est pas possible, par exemple lorsque
la
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pièce doit être radio-transparente comme dans le cas des radômes, on utilise
un
diverter qui peut prendre la forme d'un clinquant. Celui-ci a une fonction de
paratonnerre, en attirant directement la foudre et en évacuant les charges.
Dans
certaines réalisations, le clinquant est positionné à la jonction entre deux
pièces,
constituant une bande d'équipotentiel vissée, la vis réalisant une conduction
électrique entre les deux pièces.
Une troisième manière consiste à employer des matériaux composites à
constituants électroconducteurs sous l'une des deux formes citées
précédemment,
en matrices thermodurcissables.
Ces solutions ne donnent pas satisfaction.
Tout d'abord, l'utilisation de tissus est particulièrement courante, en
particulier de tissus pré-imprégnés de matière polymérique (ou prépreg ).
Ces
tissus sont traditionnellement formés de fils de trame et de fils de chaine
disposés
perpendiculairement, et présentent classiquement une structure plane. Afin
d'obtenir un produit en trois dimensions (ou 3D), les tissus sont généralement
découpés et disposées dans un moule dont la forme générale correspond à celle
de la pièce à réaliser, la matière polymérique (ou résine) étant ensuite
injectée et
polymérisée dans le moule afin notamment de donner une pièce rigide. Le
drapage
de renforts tissés sur un moule est une opération longue est délicate. Elle
nécessite
l'utilisation de plusieurs couches de prépeg qui doivent être découpées et
disposées judicieusement suivant la forme du moule pour assurer une épaisseur
suffisante tout en évitant trop de recouvrement. La découpe des tissus
métalliques
pré-imprégnés ou non implique des chutes de produit pouvant représenter 30% de
matière. Les tissus électroconducteurs métalliques sont difficiles à draper
d'autant
plus que la forme de la pièce est tridimensionnelle.
Plusieurs pièces de tissus métalliques peuvent être cousues ensemble pour
réaliser des surfaces complexes : leur mise en oeuvre est complexe, et la
continuité
des fibres n'est alors pas assurée, diminuant l'homogénéité de la répartition
des
charges électriques sur toute la surface.
D'autre part, l'utilisation d'un clinquant plein nécessite une découpe
relativement complexe, et la production de chutes à mettre au rebut.
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Enfin, l'emploi d'une matrice thermodurcissable dans un composite
électroconducteur présente l'inconvénient que le composite a tendance à
absorber
l'énergie thermique, à se dégrader et se percer.
Le document US 2020/290296 Al décrit une nappe électroconductrice
tridimensionnelle constituée d'un tricot électroconducteur en carbone, qui est
trop
résistif pour pouvoir constituer une paroi résistant à la foudre.
Le document US 4 755 904 A décrit une nappe électroconductrice
constituée d'un tricot électroconducteur ; cette nappe est plane et non
tridimensionnelle.
io L'invention a eu pour but de mettre à disposition une pièce anti-
foudre, ou
résistant à la foudre, dont la surface peut être de géométrie complexe
tridimensionnelle, de fabrication et mise en oeuvre aisément
industrialisables, ne
présentant pas les inconvénients décrits précédemment. A cette fin,
l'invention a
pour objet une nappe électroconductrice tridimensionnelle constituée d'un
tricot
électroconducteur apte à répartir les charges électriques de manière homogène
sur toute sa surface, caractérisée en ce que le tricot comprend au moins un
fil
continu électroconducteur métallique.
Le tricot électroconducteur est obtenu à partir d'au moins un fil continu en
matériau électroconducteur (qui peut être mono-ou multi-filament(s) et/ou
formé
de fibres discontinues liées par exemple par retordage ou guipage, ou tout
autre
procédé textile). Au sens de l'invention, on convient que le tricot comprend
un ou
plusieurs fils tricotés ou de tricotage pouvant consister, du point de vue de
leur
forme, en fil(s) de maille (boucle), en fil(s) de charge (ondulation), en
fil(s) flotté(s)
mais non en fil(s) de trame (unidirectionnel). Différentes techniques de
tricotage
(en particulier circulaire ou rectiligne) permettent notamment d'obtenir des
tricots
formant une pièce unitaire, en 2 D ou en 3D, sans couture. Du point de vue de
la
technologie, le tricot électroconducteur peut être obtenu par la technologie
trame :
il s'agit de la direction privilégiée du fil par analogie au tissu nonobstant
sa forme,
le sens trame étant le sens rangée par opposition au sens chaîne qui est le
sens
colonne.
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Ces structures tricotées présentent de nombreux avantages par rapport aux
structures tissées. En effet, outre la possibilité de réaliser d'emblée une
structure
en 3D en une seule pièce sans couture, le tricotage peut se faire le cas
échéant à
partir d'une seule bobine de fil pour le fil de maille, alors que les tissus
nécessitent
toujours plusieurs bobines distinctes. En outre, alors que le drapage de
structures
tissées sur un moule est une opération longue et délicate, notamment lorsque
la
forme recherchée est complexe, nécessitant l'utilisation de plusieurs couches
de
tissus qui doivent être découpés (avec des chutes de produit pouvant
représenter
30% de matière) et disposés judicieusement suivant la forme du moule pour
assurer une épaisseur suffisante tout en évitant trop de recouvrement et
nécessitant d'ajouter des pièces de renfort localement pour assurer la reprise
de
la résistance mécanique, cette reprise étant imparfaite car les fibres ne sont
pas
continues, le tricotage en 2D ou 3D permet pour sa part de réaliser un produit
complexe, pouvant le cas échéant être directement drapé sur une forme en 2D ou
en 3D et assurant la continuité des fils dans tout le produit obtenu, le
tricot,
présentant déjà une forme adaptée pour obtenir le produit recherché, n'ayant
par
exemple besoin que d'être positionné autour d'un support souple tel qu'une
vessie
en silicone, l'ensemble étant alors déposé dans un moule pour réaliser sous
vide
la consolidation permettant d'obtenir le produit fini.
De plus, les structures tissées, lorsqu'elles sont pré-imprégnées de matière
polymérique (par exemple gélifiée) les plus couramment utilisées doivent en
outre
être manipulées délicatement, ces structures étant collantes lorsque le film
de
protection est enlevé, et ne se conservant que durant une période limitée à
température ambiante. A contrario, le tricotage permet d'intégrer le cas
échéant la
matière polymérique thermoplastique sous forme de fils ou fibres mélangés avec
les fils ou fibres électroconduc(teur)(trice)s et d'obtenir une préforme
(forme
intermédiaire/temporaire avant la forme définitive) dite sèche , contenant
à la
fois le(s) matériau(x) électroconducteur(s) et la matrice.
La nappe tricotée de l'invention est donc avantageusement réalisée dans la
forme de la pièce finale, y compris complexe tridimensionnelle. L'invention
apporte
une facilité de mise en oeuvre et une continuité des fibres
électroconductrices
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améliorant la conductivité électrique et l'homogénéité de la répartition des
charges
électriques.
De préférence, le tricot comprend au moins un fil continu électroconducteur,
notamment un à quatre fils, par exemple quatre fils de cuivre de 0,1 mm de
diamètre.
De préférence, le au moins un fil électroconducteur est alors métallique, tel
qu'en cuivre, bronze, aluminium, laiton, titane, argent, or ou alliages de
ceux-ci.
De préférence, le tricot comprend alors un seul fil continu métallique tel
qu'en cuivre de 0,01 à 1 mm de diamètre.
De préférence, le tricot électroconducteur comprend au moins un fil
unidirectionnel UD électroconducteur apte à déplacer ¨ évacuer les charges
électriques dans la direction du fil UD. Chaque fil UD est un fil de trame.
De préférence, le ou les fil(s) UD électroconducteur(s) est (sont) alors
métallique(s), tel(s) qu'en cuivre, bronze ou aluminium.
De préférence, les fils UD métalliques sont constitués d'un faisceau de douze
fils de cuivre de 0,02 à 2 mm de diamètre, ou ont une conductivité électrique
du même
ordre que celle d'un tel faisceau. Ces fils UD ont par conséquent la capacité
à évacuer
une quantité importante de charges électriques correspondant à un impact de
foudre,
éventuellement répété.
Dans une alternative intéressante, le tricot électroconducteur comprend au
moins deux matériaux électroconducteurs différents.
Dans une autre alternative intéressante, le tricot électroconducteur comprend
0 à 40 % en volume d'un ou plusieurs fil(s) de renfort tel(s) qu'en fibre de
carbone,
verre ou aramide. Ce ou ces fils de renfort peut ou peuvent par exemple être
présent(s) sous la forme d'un ou plusieurs fils de maille, de charge et/ou
flotté(s), et/ou
d'un ou plusieurs fils de trame ajouté(s) dans le tricot sous forme de fil(s)
unidirectionnel(s).
Un autre objet de l'invention consiste en un matériau composite caractérisé en
ce qu'il comprend une nappe telle que décrite précédemment, et 40 à 95 % en
volume
de matériau polymère thermoplastique et/ou thermodurcissable. Le matériau
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composite (produit final) est obtenu à partir de plusieurs constituants
décrits plus en
détails dans la suite, parmi lesquels une nappe décrite précédemment
comprenant un
ajout facultatif de 0 à 60 % en volume de matériau polymère thermoplastique
et/ou
thermodurcissable, de préférence exclusivement thermoplastique (produit
intermédiaire). Le matériau polymère peut être exclusivement thermoplastique
ou
exclusivement thermodurcissable. Le matériau polymère thermoplastique peut
être
intégré dans la structure tricotée métallique de la nappe sous la forme d'un
ou
plusieurs fil(s) de maille, de charge et/ou flotté(s) et/ou d'un ou plusieurs
fil(s) de trame
ajouté(s) dans le tricot sous forme de fil(s) unidirectionnel(s), par exemple.
Comme
exemples de polymères thermoplastiques, on peut citer les polycarbonate (PC),
polyétherimide (PEI), polypropylène (PP), polyamide (PA), poly(méthacrylate de
méthyle) (PMMA), poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), poly(sulfure de
phénylène)
(PPS), polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétonecétone (PEKK), seuls ou en
mélanges ou copolymères de plusieurs d'entre eux. Le matériau polymère
thermodurcissable peut être intégré dans le tricot électroconducteur de la
nappe par
une imprégnation ultérieure. Comme matériau polymère thermodurcissable, on
peut
citer les polyuréthane (PU), résine époxy, ester de cyanate, résine
phénolique,
polyester insaturé.
Dans ce matériau composite, le matériau polymère comprend
avantageusement 100 à 5 % en volume de matériau thermoplastique et 0 à 95 % en
volume de résine thermodurcissable. Comme la structure tricotée métallique
présente
une continuité des fibres améliorant la conductivité électrique, la
répartition et
l'évacuation des charges, elle chauffe moins sous l'effet de la foudre, et il
est possible
de constituer la matrice polymère exclusivement de matériau thermoplastique,
en
l'absence de résine thermodurcissable. Une absence de matériau thermoplastique
est
possible, comme déjà précisé, mais n'est pas préférée. En effet, une
proportion
mineure de polymère thermoplastique dans un matériau polymère majoritairement
thermodurcissable rend le matériau polymère soudable. D'autre part, le
matériau
thermodurcissable risque moins de se percer eu égard à l'échauffement diminué
sous
l'effet de la foudre mentionné ci-dessus. On recherche de préférence une
nature
thermoplastique à relativement haute température de transition vitreuse Tg, en
employant un polymère thermoplastique de température de transition vitreuse
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supérieure à celle de la résine thermodurcissable, en particulier une Tg
supérieure à
120 C, afin de garantir une résistance à la chaleur de la matrice polymère.
Une absence de matériau polymère thermodurcissable est possible. Si du
polymère thermodurcissable est présent, sa proportion en volume est de
préférence
supérieure à celle du matériau polymère thermoplastique.
De préférence, le matériau composite de l'invention est obtenu en associant
des fibres de renfort à une nappe électroconductrice tricotée décrite
précédemment.
Les fibres de renfort peuvent être ainsi associées sous forme de fils tissés,
de mats,
éventuellement eux-mêmes préalablement associés à des matériaux polymères
thermoplastiques, et/ou préimprégnés de matériaux polymères
thermodurcissables.
Cependant, dans une variante préférée de cette réalisation, le matériau
composite est obtenu en superposant une nappe électroconductrice tricotée
selon
l'invention, et un ou plusieurs tricots de fil(s) de renfort. Chaque tricot de
fil(s) de renfort
peut également être préalablement associé à des matériaux polymères
thermoplastiques, et/ou préimprégné de matériaux polymères thermodurcissables.
L'invention a également pour objet l'utilisation d'une nappe
électroconductrice
tridimensionnelle ou d'un matériau composite décrit(e) ci-dessus pour
constituer la
paroi résistant à la foudre d'un véhicule terrestre, aquatique ou aérien, ou
d'un
bâtiment, en particulier une partie de carrosserie de train, carlingue d'avion
ou
zo véhicule spatial.
L'invention sera mieux comprise à la lumière des exemples suivants.
Contre-exemple 1
On réalise un composite par l'adjonction côte à côte d'un tissu gantois de
cuivre (appelé en anglais copper mesh ) de grammage égal à 80 g/m2, destiné
à
répartir les charges électriques de manière homogène sur toute la surface, et
d'un
clinquant de cuivre de 10 cm de largeur et quelques dixièmes de mm
d'épaisseur, qui
a pour fonction de collecter les charges du tissu de cuivre et de les évacuer
vers
l'arrière de l'avion, puis par la superposition à l'ensemble ainsi obtenu,
dont une partie
de la surface est constituée du tissu gantois de cuivre et l'autre partie de
la surface
est constituée du clinquant de cuivre, d'une nappe de fibres tissées de
carbone
préimprégnées de résine époxy.
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Ce matériau est très difficile à draper, d'autant plus en forme complexe
tridimensionnelle. Ce matériau a été percé et s'est délaminé au premier impact
de
foudre.
Exemple 1
On réalise un tricot électroconducteur avec un ou plusieurs fil(s) de maille,
de
charge et/ou flotté(s) consistant chacun en un fil de cuivre de 0,1 mm de
diamètre et
un matériau polymère thermoplastique intégré dans la structure tricotée
métallique
sous la forme d'un ou plusieurs fil(s) de maille, de charge et/ou flotté(s)
et/ou un ou
plusieurs fil(s) de trame ajouté(s) dans le tricot sous forme de fil(s)
unidirectionnel(s).
Ce tricot est directement réalisé à la forme voulue quelconque
tridimensionnelle,
quelle que soit sa complexité. Il présente une continuité de ses fils / fibres
conducteur(trice)s.
A ce tricot électroconducteur tridimensionnel, on superpose une ou plusieurs
nappe(s) de renfort de même géométrie tridimensionnelle, et constituée(s) d'un
tissu,
d'un mat ou d'un tricot de fibres de renfort telles que carbone, verre ou
aramide,
associé à un matériau polymère thermoplastique. Un premier exemple de tricot
de
renfort est un tricot de kevlar (aramide) et de thermoplastique, c'est-à-dire
ayant un
ou plusieurs fil(s) de maille, de charge et/ou flotté(s) constitués d'aramide
d'une part,
de thermoplastique d'autre part, dans lequel sont insérés plusieurs fils de
carbone
unidirectionnels UD et plusieurs fils thermoplastiques unidirectionnels UD
comme fils
de trame. Un deuxième exemple de tricot de renfort est un tricot de verre et
de
thermoplastique. Un troisième exemple de tricot de renfort est un tricot de
carbone et
de thermoplastique.
Le matériau composite peut être obtenu à une forme quelconque complexe
tridimensionnelle désirée, d'un seul tenant, avec continuité des fibres, après
cuisson
à une température supérieure à la Tg du thermoplastique, et refroidissement.
Exemple 2
On modifie le tricot électroconducteur de l'exemple 1 en y insérant douze fils
unidirectionnels UD parallèles de cuivre de 0,2 mm de diamètre comme fils de
trame
du tricot. A ce tricot électroconducteur tridimensionnel, on superpose les
mêmes tissus,
mats et tricots de renfort qu'à l'exemple 1.
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Exemples 3 et 4
On reproduit les exemples 1 et 2, à la différence près que les tissus, mats et
tricots de renfort sont préimprégnés de résine thermodurcissable liquide en
quantité
telle que le matériau polymère du matériau composite en constitue au moins 40
% en
volume, se répartissant en une majeure partie de polymère thermodurcissable et
une
partie mineure de polymère thermoplastique.
Exemples 5 et 6
On reproduit les exemples 1 et 2, mais sans utiliser une ou plusieurs nappes
de renfort. Au lieu de celles-ci, on intègre la fonction de renfort dans le
tricot de cuivre,
io au moyen d'un ou plusieurs fil(s) de maille, de charge et/ou flotté(s)
et/ou d'un ou
plusieurs fils unidirectionnels U D comme fils de trame, constitués de fibres
de renfort
telles que carbone, verre ou aramide.
Exemples 7 et 8
On reproduit les exemples 5 et 6 en imprégnant le tricot de cuivre renforcé de
résine thermodurcissable liquide en quantité telle que le matériau polymère du
matériau composite en constitue au moins 40 % en volume, se répartissant en
une
majeure partie de polymère thermodurcissable et une partie mineure de polymère
thermoplastique.
La fonction de répartition homogène des charges sur toute la surface par le
tricot de cuivre est très efficace : la peinture a été brûlée de manière
homogène malgré
au moins quatre impacts de foudre sans destruction du tricot de cuivre, qui
conduit
toujours de manière homogène le courant électrique même après ces impacts.
La fonction de déplacement / évacuation des charges par les fils
unidirectionnels UD de cuivre de section et conductivité électrique
relativement
importantes reste très efficace, les fils U D ayant été suffisamment
conducteurs pour
drainer les charges sans brûlure de la peinture, donc sans échauffement.
La fonction mécanique assurée par les fibres / fils de renfort des tissus,
mats
et tricots de renfort reste intègre après les tirs répétés sans dégradation
structurelle
par l'onde de choc qui a été absorbée par le matériau très tenace sans
percement de
la matière, alors que le composite du contre-exemple 1 a été percé et s'est
délaminé
dès le premier impact de foudre.
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