Structure fibreuse de renfort à tissage multi-satïn pour pièce en matériau composite.

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la réalisation de pièces en matériau composite et plus particulièrement la réalisation de structures fibreuses de renfort pour de telles pièces.

Un domaine d'application de l'invention est la réalisation de pièces de structure en matériau composite à renfort fibreux et matrice résine. De telles pièces sont utilisées dans de très nombreux domaines, notamment dans le domaine aéronautique. La densification de la structure fibreuse de renfort par la matrice résine est réalisée par tout moyen connu, par exemple par moulage avec transfert de résine (procédé RTM pour "Resin Transfer Moulding"). Un autre domaine d'application de l'invention est la réalisation de pièces en matériau composite thermostructural, c'est-à-dire en un matériau ayant des propriétés mécaniques qui le rendent apte à constituer des éléments de structures et ayant la capacité de conserver ces propriétés à des températures élevées. Des matériaux composites thermostructuraux sont typiquement les matériaux composites carbone/ carbone (C/C) ayant un renfort fibreux en carbone densifié par une matrice en carbone, et les matériaux composites à matrice céramique (CMC) ayant un renfort fibreux réfractaire (carbone ou céramique) densifié par une matrice céramique. Des pièces en matériau composite thermostructural sont utilisées notamment dans les domaines aéronautique et spatial. La densification de la structure fibreuse de renfort par le matériau constitutif de la matrice peut être réalisée par infiltration chimique en phase gazeuse (ou CVI pour "Chemical Vapor Infiltration") ou par voie liquide, comme cela est bien connu en soi. La densification par voie liquide consiste à imprégner la structure fibreuse par une composition liquide contenant un précurseur du matériau constitutif de la matrice, typiquement une résine, la transformation du précurseur étant réalisée par traitement thermique.

Pour des pièces en matériau composite présentant une certaine épaisseur, il est connu de réaliser la structure fibreuse de renfort en

plusieurs couches superposées liées entre elles pour éviter une décohésion entre couches.

Ainsi, il a été proposé, par exemple dans les documents US 4 848 414 et EP 1 526 285, de réaliser une structure de renfort par tissage tridimensionnel avec des fils de chaîne qui lient des fils de trame appartenant à plusieurs couches adjacentes de fils de trame.

Il est connu par ailleurs du document US 5 102 725 une structure fibreuse de renfort à tissage localement tridimensionnel de type satin. La structure fibreuse est constituée de deux couches de fils de trame liées ponctuellement par un premier fil de chaîne saisissant alternativement un fil sur 4 de la première couche de fils de trame et un fil sur 8 de la deuxième couche de fils de trame. Les fils de trame de la deuxième couche de fils de trame sont en outre tissés avec un deuxième fil de chaîne par tissage bidimensionnel classique de type satin, les deux fils de chaîne s'étendant principalement entre les deux couches de fils de trame. Dans la deuxième couche de fils de trame, de mêmes fils de trame sont saisis par le premier et le deuxième fil de chaîne, créant des irrégularités en surface. En outre, le mode de tissage décrit avec les fils de chaîne s'étendant tous deux entre les deux couches de fils de trame convient spécifiquement pour une texture fibreuse d'épaisseur limitée à deux couches de fils de trame.

Divers aspects doivent être pris en considération par la réalisation de telles structures fibreuses de renfort pour des pièces en matériau composite. Ainsi, le tissage tridimensionnel doit assurer une liaison entre couches satisfaisante pour s'opposer au délaminage, mais sans affecter la tenue mécanique dans des directions parallèles aux plans des couches.

En outre, dans le cas de pièces en matériau composite devant présenter un état de surface lisse, il est souhaitable d'éviter que la structure fibreuse de renfort présente des irrégularités de surface importantes qui nécessitent des opérations supplémentaires, telles qu'un arasage de la surface, par exemple après un premier stade de densification, ou stade de consolidation, pour éliminer de telles irrégularités, ou un ajout en surface d'une state bidimensionnelle, par exemple une strate de tissu, avant la fin de la densification.

Objet et résumé de l'invention

L'invention a pour but de fournir une structure fibreuse de renfort formée au moins en partie par tissage tridimensionnel et présentant un bon compromis entre les contraintes ci-dessus. Ce but est atteint selon l'invention du fait que le tissage tridimensionnel est un tissage multicouches à armure de type satin, ou tissage multi-satin comprenant :

- au moins une première, une deuxième et une troisième couche de fils de trame, - un premier ensemble de fils de chaîne chacun saisissant alternativement un fil de trame sur n de la première couche de fils de trame et un fil de trame sur n de la deuxième couche de fils de trame adjacente à la première, et

- un deuxième ensemble de fils de chaîne chacun saisissant alternativement un fil de trame sur n de la deuxième couche de fils de trame et un fil de trame sur n de la troisième couche de fils de trame adjacente à la deuxième,

- les deux ensembles de fils de chaîne décrivant des parcours semblables mais décalés l'un par rapport à l'autre dans le sens chaîne de sorte que, dans un même plan d'armure, les fils de la deuxième couche de fils de trame saisis par un fil de chaîne du premier ensemble et par un fil de chaîne du deuxième ensemble sont différents, et

- le nombre n étant un nombre entier au moins égal à 3. De préférence, n est au moins égal à 5. L'utilisation d'une armure multi-satin présente plusieurs avantages.

Tout d'abord, dans le sens chaîne, on conserve la tenue mécanique d'une armure satin tout en réalisant une liaison entre couches de fils de trame. En outre, une armure de type satin permet au tissu de conserver un bon degré de déformabilité pour s'adapter à des formes non planes.

Dans le cas d'une structure fibreuse ayant une partie interne, ou cœur, et une partie externe, ou peau, adjacente à une surface extérieure de la structure fibreuse, le cœur est avantageusement au moins partiellement formé par un tel tissage multi-satin.

La peau peut alors être formée par tissage bidimensionnel. Le tissage en peau peut être à armure de type satin, contribuant à donner un aspect de surface lisse, et le pas de satin en peau est alors avantageusement égal au pas de satin dans une partie du cœur de la structure fibreuse adjacente à la peau. En variante, le tissage en peau peut être à armure toile offrant un accès aisé aux gaz à travers la peau dans le cas d'une densification CVI.

On pourra faire évoluer l'armure multi-satin dans le cœur de la structure fibreuse, par exemple en formant deux parties du cœur par des tissages multi-satin de pas respectifs différents.

Selon une particularité de la structure fibreuse, le cœur est tissé avec des fils formés de fibres discontinues et la peau est tissée avec des fils formés de filaments continus. L'utilisation de fils formés de fibres discontinues à cœur permet, par un foisonnement de ces fibres, de fractionner la porosité à cœur tandis que l'utilisation de fils formés de filaments continus en peau favorise l'accès aux gaz lors d'une densification CVI et un état de surface exempt d'irrégularités importantes. Une réduction de gradient de densification CVI entre cœur et peau peut ainsi être obtenue. Selon une autre particularité de la structure fibreuse, l'une au moins des contextures en chaîne et en trame varie dans l'épaisseur de la structure fibreuse. Une variation de contexture en sens décroissant entre cœur et peau est de nature à favoriser l'accès aux gaz vers le cœur de la structure fibreuse lors d'une densification CVI. Selon encore une autre particularité de la structure fibreuse, les parties différentes de la structure fibreuse sont réalisées avec des fils de natures chimiques différentes, notamment afin de leur conférer des propriétés particulières souhaitées, notamment de résistance à l'oxydation ou à l'usure. Selon encore une autre particularité de la structure fibreuse, les fils utilisés pour le tissage ont un titre qui varie au sein de la structure fibreuse. Le titre des fils pourra notamment être décroissant entre une partie de cœur et une partie de peau de la structure fibreuse, afin de faciliter l'accès aux gaz à cœur lors d'une densification CVI.

Brève description des dessins

Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après, à titre indicatif mais non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre une armure de tissage tridimensionnel connue de type interlock ;

- la figure 2 illustre un plan d'armure d'une structure fibreuse obtenue par tissage multicouches de type satin ;

- la figure 3 illustre un plan d'armure d'une structure fibreuse obtenue par tissage multicouches avec armure multi-satin selon un mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 4A à 4P illustrent des plans successifs d'armure d'une structure fibreuse selon un autre mode de réalisation de l'invention avec tissage multi-satin à cœur et tissage bidimensionnel à armure satin en peau ; et - les figures 5A à 5L illustrent des plans successifs d'armure d'une structure fibreuse selon un autre mode de réalisation de l'invention avec tissage combinant deux armures multi- satin différentes à cœur et un tissage bidimensionnel à armure toile en peau.

Définitions

Par "tissage bidimensionnel" ou "tissage 2D", on entend ici un mode de tissage classique par lequel chaque fil de chaîne passe d'un côté à l'autre de fils d'une seule couche de trame. Par "tissage tridimensionnel" ou "tissage 3D", on entend ici un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaîne lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame.

Par "tissage interlock", on entend ici une armure de tissage 3D dont chaque couche de chaîne lie plusieurs couches de trames avec tous les fils de la même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. La figure 1 est une vue d'un de 8 plans d'une armure interlock à 7 couches de chaîne et 8 couches de trame. Dans l'armure interlock illustrée, une couche de trame T est formée de deux demi- couches de trame t adjacentes décalées l'une de l'autre dans le sens chaîne. On a donc 16 demi-couches de trame positionnées en quinconce, chaque chaîne liant 3 couches de trame. On pourrait aussi adopter une

position des fils de trame non en quinconce, les fils de trame de deux couches adjacentes étant alignés sur des mêmes colonnes.

Par "tissage multicouches", on désigne ici un tissage 3D avec plusieurs couches de trame dont l'armure de base de chaque couche est équivalente à une armure de tissu 2D classique, mais avec certains points de l'armure qui lient les couches de trame entre elles.

Par "contexture", on désigne ici le nombre de fils par unité de longueur en sens trame et en sens chaîne, une contexture faible (ou lâche) signifiant un moins grand nombre de fils, donc un tissu plus ouvert par opposition avec une contexture élevée (ou serrée).

Par "filaments continus", on entend ici de façon conventionnelle des éléments fibreux ayant une très grande longueur par rapport à leur diamètre. Ainsi, dans le cas par exemple d'une structure de renfort constituant une préforme d'une pièce en matériau composite et réalisée à partir de filaments continus, au moins une très grande majorité de ceux-ci s'étendent continûment dans la préforme en étant interrompus seulement aux limites géométriques de la préforme. Dans le cas de filaments continus non naturels, ils sont habituellement obtenus par filage d'une matière synthétique suivi éventuellement d'une ou plusieurs opération(s) physico-chimique(s) (étirage, ensimage, traitement thermique, ...).

Des fils constitués de filaments continus, ou multifilaments, sont formés en assemblant des filaments continus côte à côte avec ou sans torsion.

Par "fibres discontinues" on entend ici de façon conventionnelle des éléments fibreux qui, dans le cas de fibres non naturelles, sont formés par coupe ou étirage-craquage de filaments continus. Des fibres discontinues ou fibres courtes ont une longueur habituellement de quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres.

Des fils constitués de fibres discontinues, ou filés de fibres, sont formés en assemblant les fibres discontinues par retorsion ou par guipage, le guipage consistant à conférer une cohésion par enroulement d'un fil de guipage autour d'un ensemble de fibres discontinues qui peuvent être non retordues ou faiblement retordues.

Dans tout le texte et sur tous les dessins, il est mentionné et représenté, par convention et souci de commodité, que ce sont les fils de

chaîne qui sont déviés de leurs trajets pour saisir des fils de trame d'une couche de trame ou de plusieurs couches de trame. Toutefois, une inversion des rôles entre chaîne et trame est possible et doit être considérée comme couverte par les revendications.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention

Le domaine d'application de l'invention est celui de la réalisation de structures fibreuses aptes à constituer des renforts fibreux, ou préformes, pour la fabrication de pièces en matériau composite, les pièces étant obtenues par densification des structures fibreuses par une matrice. La matrice peut être une résine, dans le cas de matériaux composites utilisés à température relativement peu élevée, typiquement jusqu'à 300 ⁰ C, ou un matériau réfractaire tel que carbone ou céramique dans le cas de composites thermostructuraux. La réalisation de la structure fibreuse par tissage 3D permet d'obtenir une liaison entre les couches, donc d'avoir une bonne tenue mécanique de la structure fibreuse et de la pièce en matériau composite obtenue, en une seule opération textile.

La figure 2 montre un plan d'armure de tissage 3D multicouches de type satin liant des couches de fils de trame T (les fils de trame n'étant pas disposés en quinconce).

Chaque fil de chaîne est périodiquement dévié de son trajet au- dessus d'une couche de trame pour, alternativement, saisir un fil de trame de cette couche de trame et saisir ensemble un fil de trame de cette couche de trame et le fil de trame situé dans la même colonne de la couche de trame adjacente inférieure. On a ainsi formation de points de satin simples classiques PSl alternativement avec des points de satin doubles PS2 liant les fils de 2 couches de trame adjacentes, donc assurant une liaison entre couches de trame. Toutefois, les points de satin PS2 constituent des points singuliers avec croisement de fils de chaîne qui se traduisent par des irrégularités importantes de la structure fibreuse susceptibles d'affecter la tenue mécanique d'une pièce obtenue par densification d'une telle structure fibreuse. Cet inconvénient est particulièrement notable lorsque les fils utilisés présentent une raideur assez forte, par exemple des fils en céramique ou de titre élevé. En effet, il est alors malaisé d'imposer une

déformation au niveau des points PS2 qui ne perturbe pas l'arrangement des fils de trame.

C'est pourquoi l'invention vise la réalisation d'un tissage 3D multicouches avec une armure de type satin particulière ou armure « multi-satin » ne présentant pas de tels inconvénients.

Un plan d'armure "multi-satin" conforme à l'invention est représenté sur la figure 3.

Il comprend au moins 3 couches de fils de trame T (7 dans l'exemple illustré) et des fils de chaîne C, chaque fil de chaîne s'étendant principalement entre deux couches adjacentes respectives de fils de trame.

Chaque fil de chaîne est dévié alternativement dans un sens et dans l'autre pour saisir alternativement un fil de trame sur n d'une première couche de fils de trame et un fil de trame sur n d'une deuxième couche de fils de trame adjacente à la première, n étant un nombre entier au moins égal à 3, réalisant ainsi une liaison entre ces deux couches.

Le nombre n étant le même pour tous les fils de chaîne, les parcours ou mouvements des fils de chaîne sont tous semblables, tout en étant décalés dans la direction chaîne entre fils de chaîne consécutifs, de sorte que les fils d'une même couche de fils de trame saisis par des fils de chaîne sont différents.

Dans une telle armure multi-satin, le "pas" désigne ici l'intervalle entre deux points de satin PS d'un même fil de chaîne mesuré en nombre de colonnes de trame. Dans le cas de la figure 3, le pas est alternativement de 6 et de 10, donnant un pas moyen de 8, soit n/2.

Les fils saisis dans la première couche de fils de trame et ceux saisis dans la deuxième couche de fils de trame par un même fil de chaîne sont situés dans des colonnes de fils de trame différentes de préférence non adjacentes pour éviter un trajet trop sinueux au fil de chaîne, source d'irrégularités. Aussi, le nombre n est avantageusement au moins égal à 5 pour satisfaire plus facilement une telle condition.

On retrouve des parcours ou mouvements des fils de chaîne semblables dans tous les plans de l'armure multi-satin.

Par rapport à une armure interlock connue telle que celle de la figure 1, l'armure multi-satin permet de conserver de bonnes propriétés mécaniques en sens chaîne et un aspect de surface plus régulier.

En outre, la structure fibreuse présente un faible embuvage et une déformabilité lui permettant de se conformer à des formes non planes.

Dans le cas d'une structure fibreuse ayant une partie interne, ou cœur, et une partie externe, ou peau, adjacente à une surface extérieure de la structure fibreuse, la peau peut être réalisée par tissage avec une armure différente de celle du cœur, par exemple par tissage bidimensionnel avec armure de type toile, satin ou sergé afin de « fermer » le tissage en surface, une armure de type satin procurant en outre un aspect de surface lisse. Une variation d'armure de tissage en peau peut être réalisée à la surface extérieure de la structure fibreuse pour conférer des propriétés particulières voulues par exemple en passant d'une armure de type toile privilégiant une liaison serrée à une armure de type satin privilégiant un état de surface lisse. Lorsque la structure fibreuse est destinée à la fabrication d'une pièce en matériau composite avec une matrice obtenue par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI), il est avantageux aussi pour obtenir des propriétés mécaniques aussi peu inhomogènes que possible au sein de la pièce, de favoriser une densification par CVI avec un gradient de densification aussi faible que possible entre le cœur de la structure fibreuse et la peau de celle-ci.

A cet effet, le tissage du cœur peut être réalisé avec des fils formés de fibres discontinues pour favoriser le fractionnement de la porosité par foisonnement des fibres et l'accès de la phase gazeuse réaction nel le. On pourra utiliser des fils formés de fibres discontinues sensiblement sans torsion, la cohésion étant assurée par un fil de guipage. Le fil de guipage est avantageusement en un matériau fugace ou fugitif qui est éliminé après tissage, autorisant un fractionnement de la porosité de la structure tissée et favorisent une réduction du gradient de densification par CVI. De tels fils formés de fibres discontinues avec fil de guipage fugace ou fugitif sont décrits dans le document EP 0 489 637.

Il est avantageux encore de favoriser l'obtention, après densification, d'un état de surface exempt d'irrégularités, c'est-à-dire un bon état de finition pour éviter ou limiter des opérations de finition par usinage.

A cet effet, la peau peut être réalisée par tissage avec des fils formés de filaments continus pour éviter le foisonnement de fibres discontinues.

Encore dans le but de favoriser l'accès de la phase gazeuse réactionnelle, la peau peut être réalisée avec une contexture en chaîne et/ou en trame plus faible que dans le cœur.

Il peut être souhaitable de faire varier le titre des fils utilisés pour le tissage de la structure fibreuse, en particulier en utilisant des fils de titres différents entre cœur et peau et/ou entre chaîne et trame. Un titre de fils décroissant entre cœur et peau favorise l'accès à cœur du gaz à travers la peau dans le cas de densification par CVI. Les titres des fils peuvent aussi être choisis pour obtenir un rapport dans des limites souhaitées entre le taux volumique de fibres en chaîne et le taux volumique de fibres en trame. II est possible aussi de faire varier l'armure de tissage multi- satin dans le cœur, en tissant différentes parties du cœur avec des armures multi-satin de pas respectifs différents.

Il est possible encore de faire varier l'armure de tissage en peau le long de la surface extérieure. La nature chimique des fils est choisie en fonction de l'application envisagée. Il peut être souhaitable d'utiliser des fils de natures chimiques différentes entre différentes parties de la structure fibreuse, notamment entre la partie de cœur et la partie de peau pour conférer des propriétés particulières à la pièce en matériau composite obtenue, notamment en termes de résistance à l'oxydation ou à l'usure.

Ainsi, dans le cas d'une pièce en matériau composite thermostructural à renfort de fibres réfractaires, on pourra utiliser une structure fibreuse avec des fibres carbone en cœur et des fibres en céramique, par exemple en carbure de silicium (SiC), en peau afin d'accroître la résistance à l'usure de la pièce composite au niveau de cette partie de peau.

Deux exemples de réalisation d'une structure fibreuse conformément à l'invention seront maintenant décrits. Dans tous ces exemples, le tissage est réalisé sur un métier de type Jacquard.

Exemple 1

Les figures 4A à 4P représentent des plans successifs d'une armure de structure fibreuse 10 obtenue par tissage 3D avec tissage tridimensionnel multi-satin à cœur 12 et tissage bidimensionnel en peau 14, 16. Le tissage à cœur est à armure multi-satin avec un pas de 8 et le tissage en peau est à armure satin également avec un pas de 8.

On constate que les points de satin forment des motifs réguliers et répartis dans les plans d'armure successifs, sans alignement marqué en colonne ou en profondeur (d'un plan d'armure à l'autre). La structure fibreuse 10 comprend 5 couches de fils de trame

Tl à T5. Dans le cœur 12 situé entre des peaux opposées 14, 16, le tissage multi-satin est réalisé avec des fils formés de fibres de carbone discontinues maintenues par un fil de guipage en matériau fugitif, comme décrit dans EP 0 489 637, et avec une contexture 10/10 par couche (10 fils par cm en trame et en chaîne). Le fil de guîpage est par exemple en un polymère soluble tel qu'un alcool polyvinylique ou un polymère éliminable par traitement thermique sans affecter le carbone des fibres, tel qu'un polyéthylène ou acétate de polyvinyle. Dans les peaux 14, 16, le tissage à armure satin est réalisé avec des fils formés de filaments de carbone continus et avec une contexture 10/10. La liaison par tissage à armure satin ne concerne que les couches Tl et T5 de fils de trame. On notera que le tissage multi-satin du cœur s'étend jusqu'aux couches de trame des peaux afin de lier ces couches à celles du cœur.

Bien entendu, les fils utilisés pour le tissage à cœur et en peau pourraient en variante être tous du même type, c'est-à-dire tous formés de fibres discontinues ou tous formés de filaments continus.

Exemple 2

Les figures 5A à 5L représentent des plans successifs d'une structure 20 obtenue par tissage 3D multicouches comprenant 12 couches de fils de trame Ul à U12. Le tableau ci-dessous résume les armures et contextures du tissage 3D utilisé, la variation d'armure de la structure 20 étant symétrique par rapport à un plan médian avec les peaux 24, 26 situées de part et d'autre du cœur 22. Certaines couches de trame ont un nombre de fils de trame différent de celui d'autres couches, traduisant une variation de contexture en trame.

Dans cet exemple, l'armure du tissage multi-satin et la contexture varient entre cœur et peaux. On notera que la variation d'armure et de contexture est d'une certaine façon progressive en adoptant un satin de 5 pour les trames U3, U4 et U9, UlO, entre le satin de 6 des couches U5 à U8 et la toile des peaux, ceci afin d'éviter une discontinuité trop franche entre cœur et peau.

On pourrait, en variante, utiliser une armure de type sergé pour le tissage multicouches des peaux.