| JP2004134700 | GROUNDING DEVICE TO CABINET FRAME |
| JP2009111115 | SHIELD CASE AND HIGH-FREQUENCY RECEPTION DEVICE WITH THE SAME |
| JP2007150839 | PORTABLE TERMINAL |
GUILLOU, Marie-Paule (12 Allée Louis Blériot, Noisy Le Grand, Noisy Le Grand, F-93160, FR)
UHLIG, Franck (1 Cours des Petites Ecuries, Lognes, Lognes, F-77185, FR)
DUVAL, Yohann (6 Bis Boulevard Solférino, Rueil Malmaison, Rueil Malmaison, F-92500, FR)
GUILLOU, Marie-Paule (12 Allée Louis Blériot, Noisy Le Grand, Noisy Le Grand, F-93160, FR)
UHLIG, Franck (1 Cours des Petites Ecuries, Lognes, Lognes, F-77185, FR)
| Revendications - Pièce (1) comportant une partie structurale en matériau composite (2), matériau composite comportant essentiellement des fibres minérales ou organiques maintenues dans une matrice organique dure, électriquement isolant ou faiblement conducteur comportant, sur une surface (21) de ladite partie structurale, au moins sur un côté de ladite pièce susceptible d'être soumise à des accumulations de charges électriques et ou à des impacts de foudre, un réseau (31) d'un matériau électriquement conducteur caractérisé en ce que le réseau recouvre une partie protégée de la surface (21) de ladite partie structurale sur laquelle surface ledit réseau est fixé directement et en ce qu'une couche de peinture électriquement conductrice (32) est déposée sur la pièce (1) de sorte que le réseau (31) est situé entre la partie structurale (2) en matériau composite électriquement isolant ou faiblement conducteur et la couche de peinture électriquement conductrice (32). - Pièce (1) suivant la revendication 1 comportant entre le réseau (31) et la couche de peinture électriquement conductrice (32) une couche d'apprêt et ou de primaire de protection du réseau (31). - Pièce (1) suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle le réseau est un grillage métallique en bronze. - Pièce (1) suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle le réseau est un grillage métallique en cuivre ou en un alliage à base de cuivre. - Pièce (1) suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle le réseau est un grillage métallique en aluminium ou en un alliage à base d'aluminium. - Pièce (1) suivant l'une des revendications 3, 4 ou 5 dans laquelle le grillage métallique présente une densité surfacique comprise entre 30 et 100 g/m2. - Pièce (1) suivant la revendication 6 dans laquelle le grillage métallique présente une densité surfacique de 70 ± 10 g/m2. - Pièce (1) suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle la conductivité électrique de la couche de peinture électriquement conductrice (32) est au moins de 0,0001 Siemens/m . - Pièce (1) suivant l'une des revendications précédentes comportant du côté de ladite pièce susceptible d'être soumise à des accumulations de charges électriques et ou à des impacts de foudre une couche de peinture de finition (34). - Pièce (1) suivant la revendication 10 dans laquelle l'épaisseur de la couche de peinture de finition (34) est de 20 ± 5 μm en moyenne. - Pièce (1) suivant la revendication 11 dans laquelle l'épaisseur cumulée de la couche de peinture électriquement conductrice (32) et de la couche de peinture de finition (34) est de 100 ± 20 μm en moyenne. |
La présente invention appartient au domaine des structures réalisées avec des matériaux composites. Plus particulièrement l'invention concerne des structures réalisées dans des matériaux composites non électriquement conducteurs ou faiblement conducteurs et susceptibles d'être soumis lors de leur utilisation à des impacts de foudre.
L'invention concerne en particulier des structures en matériau composite pour aéronefs.
Parmi les nombreuses familles de matériaux composites, la famille des composites comportant des fibres d'un matériau minéral (verre, silice, carbone...) ou organique (aramide, Kevlar® ...) maintenues dans une matrice organique dure (polyester, époxy ...) est largement mise en œuvre pour la réalisation de structures en raison de leurs performances mécaniques, en particulier leurs résistances par rapport à la masse, et ou en raison de leurs possibilités de réaliser des formes complexes. Ces caractéristiques et avantages sont particulièrement appréciés pour la fabrication des aéronefs et par matériau composite il convient de comprendre dans la présente demande les matériaux composites de cette famille des matériaux comportant des fibres minérales ou organiques maintenues dans une matrice organique dure. Lorsque des matériaux composites sont mis en œuvre pour réaliser des structures d'un aéronef soumises à l'écoulement aérodynamique externe de l'aéronef, des charges électriques ont tendance à s'accumuler naturellement à la surface du matériau en raison de la nature isolante ou faiblement conductrice électriquement de ces matériaux. En absence de précautions particulières ces charges sont évacuées dans l'air ambiant, lorsque les différences de potentiel électrique sont localement suffisantes en raison des charges électriques accumulées, sous la forme de décharges électriques qui génèrent des perturbations électromagnétiques susceptibles de perturber le fonctionnement des systèmes électroniques de l'aéronef.
En outre les aéronefs en vol sont fréquemment soumis à des impacts de foudre dont l'énergie électrique est suffisante pour provoquer un endommagement local de la structure, endommagement qui doit être évité pour des raisons évidentes d'intégrité de l'aéronef et pour des raisons de sécurité lorsque les structures concernées sont des structures devant résister à des efforts importants, dites structures travaillantes. Pour ces raisons, il est connu de rendre électriquement conducteur les structures en matériau composite sur une surface de ces structures soumise à l'écoulement aérodynamique et qui est également la surface susceptible d'être soumise à des impacts de foudre.
Pour rendre électriquement conductrice en surface une structure en matériau composite intrinsèquement isolante ou faiblement conductrice, il est connu de placer sur la surface devant être rendue conductrice des éléments métalliques conducteurs de l'électricité, ces éléments métalliques conducteurs étant reliés entre eux d'une pièce en matériau composite à une autre pièce en matériau composite ou étant reliés à une structure métallique conductrice. Une première technique connue consiste à placer sur la surface de la pièce en matériau composite des bandes métalliques conductrices plus ou moins espacées reliées, par au moins une de leurs extrémités, à une masse générale de l'aéronef.
L'avantage de cette solution est qu'elle permet de limiter la surface couverte par le matériau conducteur tout en permettant de disposer de sections conductrices significatives pour conduire les courants de foudre et donc de conserver pour la structure en matériau composite ainsi métallisée une transparence radioélectrique élevée.
Une telle solution de bandes dites parafoudres est avantageusement mise en œuvre sur des radômes d'avion mais sa réalisation est délicate et présente le défaut de ne pas protéger toute la surface de la pièce en particulier lorsque la transparence radioélectrique n'est pas recherchée.
Une seconde technique connue consiste à recouvrir toute la surface à protéger de la structure en matériau composite par un grillage réalisé dans un matériau métallique conducteur électrique. Un tel grillage est réalisé le plus souvent en bronze ou en cuivre, en particulier en raison des caractéristiques de conductivité électrique de ces matériaux et pour des raisons de tenue à la corrosion, soit par un procédé conventionnel de tissage de fils soit par un procédé d'étirage à partir d'une plaque préparée pour obtenir un grillage par déploiement. Ces grillages sont déposés sur la surface de la pièce suivant différentes techniques, par exemple déposés à la surface de la pièce en cours de réalisation avant une cure de durcissement par polymérisation de la matrice du matériau composite.
En raison des intensités associées aux impacts de foudre en particulier à proximité du point de la structure au niveau duquel se produit l'impact, les grillages doivent présenter des sections conductrices suffisantes qui conduisent à des grillages d'une part lourds (en général de 150 à 300 g/m2 sur une structure d'aéronef, soit de l'ordre de 1000 kg pour la protection d'un fuselage d'un avion long courrier gros porteur) et d'autre part qui détériorent l'état de surface de la structure ainsi traitée dont l'aspect aérodynamique et l'aspect esthétique nécessitent pour être préservés une couche d'apprêt d'épaisseur suffisante et une couche de peinture de finition d'environ 100 μm (E10-4 m) sources de pénalités en termes de coûts et de masse.
En outre de tels grillages, relativement rigides, présentent l'inconvénient d'une mise en œuvre complexe, en particulier en raison des formes des structures à recouvrir et d'interférences avec les processus de fabrication du matériau composite.
La présente invention a précisément pour objectif de définir une structure en matériau composite protégée efficacement contre les effets de la foudre, et qui évite les accumulations de charges électriques à sa surface, avec une pénalité de masse réduite par rapport aux solutions connues de performances au moins équivalentes vis à vis de la protection contre les effets des impacts de foudre.
Suivant l'invention la pièce protégée comporte une partie structurale en matériau composite électriquement isolant ou faiblement conducteur telles que les pièces réalisées à partir de fibres minérales ou organiques, par exemple de fibres de verre, de fibres aramide ou de fibres de carbone, maintenues dans une matrice organique dure, époxy par exemple.
Sur la surface de la partie structurale, au moins du côté de la pièce susceptible d'être soumise à des accumulations de charges électriques ou à des impacts de foudre, la pièce est recouverte, au moins dans les zones devant être protégées, par un réseau réalisé avec un matériau électriquement conducteur, fixé directement sur la surface de la partie structurale, et comporte une couche de peinture électriquement conductrice déposée de façon telle que le réseau est situé entre la partie structurale en matériau composite et la couche de peinture électriquement conductrice. La peinture forme une couche conductrice continue qui permet de disperser le pied d'arc lors d'un impact de foudre et assure le passage du courant de foudre dans le réseau conducteur avec des densités de courant diminuées comparativement à une situation dans laquelle la foudre frappe directement le réseau conducteur, même en traversant une couche de peinture isolante recouvrant le réseau conducteur. Il est ainsi possible de réduire la densité surfacique du réseau en matériau électriquement conducteur par rapport au métalisation conventionnelles mettant en oeuvre ce type de réseau.
Pour améliorer l'état de surface final de la pièce et protéger le réseau, la pièce comporte si besoin, entre le réseau et la couche de peinture électriquement conductrice, une couche d'apprêt et ou de primaire de protection du réseau, cette couche d'apprêt remplissant notamment les volumes en creux pouvant subsister entre les parties conductrices du réseau après la pose du réseau sur la partie structurale.
En raison de leurs bonnes caractéristiques de conduction électrique, le réseau est avantageusement réalisé au moyen d'un grillage métallique en bronze, en cuivre ou en un alliage à base de cuivre, ou encore en aluminium ou en un alliage à base d'aluminium.
La mise en œuvre de l'invention permet de limiter la quantité de métal utilisée pour former le réseau conducteur. En pratique pour une structure d'aéronef, la structure composite est protégée de manière satisfaisante contre les effets de la foudre avec une densité surfacique du réseau conducteur comprise entre 30 et 100 g/m2 et de préférence une densité surfacique de 70 ± 10 g/m2, soit en moyenne une pénalité de masse consacrée à la métallisation des structures en composite deux à trois fois plus faible pour une métallisation de performance équivalente, voire moins. Une protection efficace est obtenue en particulier lorsque la conductivité électrique de la couche de peinture électriquement conductrice est au moins de 0,0001 Siemens/m.
Pour protéger la peinture électriquement conductrice et obtenir l'état de surface souhaité la surface protégée est recouverte d'une couche de peinture de finition dont l'épaisseur est de préférence de 20 ± 5 μm en moyenne.
La sélection de caractéristiques de conduction adaptées pour le réseau conducteur et pour la peinture électriquement conductrice permet de réaliser une couche de peinture dont l'épaisseur cumulée de la couche de peinture électriquement conductrice et de la couche de peinture de finition est sensiblement identique à une couche de peinture de protection unique c'est à dire de 100 ± 20 μm en moyenne et donc ne pénalise pas le produit réalisé en particulier en masse de peinture.
La description détaillée d'exemples de réalisation de l'invention est faite en référence aux figures qui représentent :
- figure 1 : schématiquement sur une section en vue perspective partiellement écorchée les différentes couches formant une pièce en matériau composite suivant l'invention ;
- figure 2a : une photographie d'une section d'une éprouvette d'essai (micro-coupe) de la figure 2a montrant les différentes couches du côté d'une surface protégée du matériau composite suivant l'invention ;
- figure 2b : une photographie de la surface protégée de l'éprouvette d'essai ayant subi un impact de foudre.
Une pièce 1 de structure en matériau composite suivant l'invention comporte principalement une partie structurale 2 d'épaisseur structurale Es comportant des fibres minérales ou organiques maintenues dans une matrice dure organique.
Une partie d'une telle pièce de structure est représentée sur la figure 1. La figure 1 présente une pièce localement plane à titre d'illustration sans que ce caractère soit limitatif de l'invention.
Une telle structure est connue en particulier dans les applications aéronautiques pour lesquelles un rapport résistance structurale sur masse de structure favorable est recherché. Par exemple une telle structure comporte des plis empilés de fibres de verre, kevlar® ou carbone, tissées ou unidirectionnelles, maintenues dans une matrice d'un matériau polymère tel qu'une aramide.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, la structure comporte dans son épaisseur Es une structure alvéolaire, mousse ou nid d'abeille par exemple, entre deux revêtements réalisés par des fibres maintenues dans une matrice, une telle structure ayant extérieurement des propriétés similaires vis à vis des problèmes électriques liés à la foudre qu'une structure en matériau composite sans âme alvéolaire.
De manière également connue, la structure est conformée à la forme de la pièce au cours d'un processus de formage avant durcissement par polymérisation du matériau de la matrice, cas des matrices dite thermodurcissables, ou au cours d'un processus de formage à une température pour laquelle la matrice est dans un état plastique, cas des matrices thermoplastiques. Suivant les cas une telle pièce comporte des parties métalliques (non représentées) et ou des perçages (non représentés) en particulier pour des besoins de fixation de la pièce 1.
Suivant sa destination, une telle pièce est par exemple une pièce dite structurale soumise à des efforts importants, du même ordre en conditions limites d'utilisation que la résistance structurale de la pièce, par exemple un panneau de fuselage ou de voilure d'avion, ou bien une pièce dite secondaire telle qu'un carénage, par exemple un carénage de raccordement entre l'aile et le fuselage d'un avion.
La pièce 1 comporte en outre, sur une surface 21, dite surface extérieure, de la partie structurale 2 d'un coté de ladite pièce sur lequel des charges électriques sont susceptibles de s'accumuler et ou un arc électrique, notamment lié à la foudre, est susceptible de se produire, une couche 3 de surface dite de métallisation.
La surface, ou la partie de la surface, de la pièce 1 du coté de laquelle se trouve ladite couche de métallisation 3 est dite surface protégée. Dans le cas des aéronefs elle correspond en particulier à la surface de la pièce d'un côté extérieur de l'aéronef, c'est à dire la surface soumise à l'écoulement aérodynamique.
La couche de métallisation 3 comporte elle-même d'une part une première couche conductrice 31 formée par un réseau électriquement conducteur recouvrant la surface extérieure 21 de la partie structurale protégée de la pièce et fixé directement sur ladite surface extérieure et d'autre part une seconde couche conductrice 32 formée par une peinture électriquement conductrice recouvrant la première couche conductrice 31.
La surface extérieure 21 n'est pas obligatoirement recouverte en totalité par la métallisation, certaine zone pas ou peu exposée au risque de foudre pouvant ne pas être métallisée ou métallisée par d'autre moyens, la description étant limitée à une partie de la surface extérieure 21 métallisée suivant le principe de l'invention.
Les peintures électriquement conductrices sont connues de manière générale et consistent par exemple en des peintures chargées en particules conductrices. Dans un tel agencement la seconde couche 32 de peinture conductrice ne permet pas de garantir seule une conduction suffisante pour dissiper des courants de foudre en cas d'impact de foudre mais ladite seconde couche de peinture conductrice par sa faible résistance surfacique locale assure une dispersion du pied d'arc de la foudre autour du point d'impact suffisante pour répartir le courant sur une surface telle que des densités surfaciques de courant soit réduites sur la surface protégée.
Dans un mode préféré de réalisation une peinture électriquement conductrice présentant une conductivité électrique égale ou supérieure à 0,0001 Siemens/m est choisie.
Du fait de ces densités surfaciques de courant réduites, le courant de foudre est en mesure d'être dispersé efficacement par la première couche conductrice 31 sans qu'il soit nécessaire de réaliser un réseau électriquement conducteur aussi dense que dans une protection conventionnelle, le réseau électriquement conducteur, dont le rôle est d'écouler les charges électriques et de conduire les courants électriques générés par l'arc de foudre, n'étant en conséquences plus soumis aux densités de courant aussi élevées que dans les principes de métallisations conventionnelles mettant en œuvre un réseau conducteur. Ainsi le réseau est allégé en étant réalisé avec des fils électriquement conducteurs plus fins et ou avec un maillage du réseau moins serré.
Le réseau est par exemple réalisé par tissage de fils conducteurs ou par un procédé d'étirage et déploiement d'une feuille conductrice dans laquelle ont préalablement été réalisées des entailles. Avantageusement le réseau est réalisé en métal conducteur avec une densité surfacique comprise entre 30 et 100 g/m2, de préférence de 70 ± 10 g/m2, une densité aussi faible que 30 g/m2 ayant été démontrée efficace.
Le réseau de la première couche conductrice 31 est fixé directement sur la surface extérieure 21 la couche structurale 2 sans utiliser de séparateur intermédiaire tel qu'un matériau en feuille, de manière similaire aux grillages de bronze utilisés pour métalliser les surfaces de panneaux composite dans les fabrications aéronautiques.
Une méthode consiste, lorsque la structure de la pièce en matériau composite a été réalisée, à coller le réseau sur la surface extérieure 21 au moyen d'une résine compatible avec le matériau composite de la pièce 1. Cette méthode ajoute une étape lors de la fabrication de la pièce, étape qui est réalisée sur une pièce dure et de forme proche de sa forme finale.
Une autre méthode consiste à placer le réseau au cours d'une étape de réalisation de la pièce en considérant le réseau comme un pli extérieur de la structure en matériau composite placé au niveau de la surface extérieure 21. Si la pièce est réalisée avec une résine durcie au cours d'une étape de polymérisation à chaud (une cuisson de la matrice thermodurcissable), le réseau est déposé sur la pièce du côté de la surface extérieure avant l'étape de cuisson et se trouve fixé sur la surface extérieure de la pièce lors de l'étape de cuisson au cours de laquelle les plis du matériau composite sont comprimés de manière connue les uns contre les autres.
Si la pièce est réalisée avec un matériau à matrice thermoplastique, le réseau est placé sur la pièce, avant ou après formage, sur la surface extérieure 21 et adhère à la pièce sur ladite surface extérieure sous l'effet d'une pression appliquée lorsque la température de la résine correspond à la température à laquelle la résine est amenée dans un état plastique soit simultanément à une étape de formage et de compactage des plis thermoplastiques, soit au cours d'une étape séparée postérieure.
Dans une forme de réalisation préférée lorsque des irrégularités de l'état de surface persiste après la fixation du réseau, une couche d'apprêt 33 est déposée sur la première couche électriquement conductrice 31 pour préparer l'accrochage de la couche de peinture conductrice 32 et, en particulier lorsque la surface protégée est visible, une couche de finition extérieure 34 par une peinture conventionnelle assure une protection de la peinture électriquement conductrice, un état de surface final amélioré et la décoration de la structure. De préférence l'épaisseur de la couche 34 de peinture de finition extérieure est réduite au minimum, avantageusement de l'ordre de 20 μm, typiquement 20 ± 5 μm en moyenne, ce qui est rendu possible par la couche de peinture électriquement conductrice 32 qui a également par ailleurs les comportements physico-chimiques d'une peinture.
Comme dans le cas d'une peinture conventionnelle de protection d'une structure métallique, la couche 34 de peinture de finition peut être isolante, ladite couche étant traversée par les courants de foudre près du point d'impact de la foudre et, en raison de sa faible épaisseur présente une résistance réduite comparée à une peinture conventionnelle de l'ordre de cinq fois plus épaisse.
Avantageusement les épaisseurs cumulées de la seconde couche 32 de peinture conductrice et de la couche 34 de peinture de finition extérieure sont inférieures ou sensiblement égale à l'épaisseur d'une couche de peinture conventionnelle de protection et de finition, c'est à dire environ 100 ± 20 μm en moyenne.
Il est également possible en appliquant la solution proposée par l'invention de sélectionner, pour la réalisation du réseau 31 en matériau électriquement conducteur, un matériau métallique moins performant que le cuivre vis à vis de la conduction électrique mais plus léger tel qu'un alliage d'aluminium dans la mesure où les éventuels problèmes de corrosion sont résolus par le choix des matériaux ou par des traitements anticorrosion appropriés. L'invention permet donc de réaliser une structure protégée contre les effets de la foudre avec une masse inférieure de protection de surface par rapport aux protections connues en répartissant la conduction des courants de foudre entre la peinture et une protection conventionnelle allégée, sans nuire à l'état de surface fini malgré une couche de peinture de finition de d'épaisseur réduite.
Les figures 2a et 2b illustrent l'efficacité de l'invention qui a été démontrée lors d'essais de foudre sur des éprouvettes.
Sur la figure, 2a qui est une photographie à fort agrandissement d'une micro-coupe de l'éprouvette du coté de la surface protégée du matériau composite, le réseau en matériau électriquement conducteur 31 apparaît en coupe comme une couche discontinue (en clair sur la micro-coupe), et il peut être facilement identifié la peinture conductrice 32 et la peinture de finition 34, ainsi que les plis du matériau composite 2 les plus proches de la surface considérée, bien différentiés sur la micro-coupe en raison de l'orientation différente des fibres de chaque pli. La figure 2b montre la surface de l'éprouvette représentative de la pièce
1 en matériau composite recouverte d'une métallisation suivant l'invention et qui a été soumise en laboratoire à un impact de foudre.
Dans cette essai l'éprouvette est soumise à un impact de foudre suivant un profil d'onde D+B+C suivant la norme Eurocae ED-84. Alors qu'un tel impact endommagerait un matériau composite non protégé, la figure 2a ne fait apparaître que des traces superficielles sur une zone
41 sur la figure 2a, d'environ 200 mm de diamètre, autour de l'emplacement 4 de l'impact de foudre à la surface de l'éprouvette.
Il est constaté l'absence d'endommagement de la partie structurale en matériau composite 2 alors même que la métallisation de la surface est beaucoup plus légère que dans les métallisations conventionnelles.
Le matériau conducteur du réseau 32 présente des traces d'évaporation sur une surface réduite et la couche de peinture conductrice 32 est évaporée sur environ 200 mm, diamètre de la zone 41 entourée d'un cercle en trait discontinu sur la figure 2a.
La protection est mise en œuvre par des techniques conventionnelles de pose de réseaux métalliques sur une structure composite et de peintures sans qu'il soit nécessaire de faire appel à des agencements complexes de protection mettant en œuvre des couches intermédiaires de peu d'intérêt vis à vis de leur effet sur les courants de foudre.
Next Patent: FILTER DEVICE FOR FUEL