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 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/m ² ), 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 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 chaîne 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 œuvre 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. 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 A1 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.

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 œuvre 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. 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 œuvre et une continuité des fibres électroconductrices 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 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 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 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 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/m ² , 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. 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 . 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, au moyen d’un ou plusieurs fil(s) de maille, de charge et/ou flotté(s) et/ou d’un ou plusieurs fils unidirectionnels UD 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 UD 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.