FR2585445A1 - Procede de fabrication d'un materiau composite modulaire, materiau realise et piece obtenue a partir dudit materiau - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE FABRICATION D'UN MATERIAU COMPOSITE MODULAIRE. CE PROCEDE CONSISTE A A UTILISER DES BILLES 2, 3, 4 COMPRENANT CHACUNE UNE PEAU CONTINUE SITUEE AUTOUR D'UN NOYAU CENTRAL SENSIBLEMENT SPHERIQUE, DE PREFERENCE VIDE, B A POSITIONNER LESDITES BILLES AU CONTACT LES UNES DES AUTRES DE FACON A APPROCHER UNE REPARTITION GEOMETRIQUE DU TYPE CRISTALLOGRAPHIQUE COMPACT, ET C A FIXER LESDITES BILLES AINSI POSITIONNEES LES UNES AUX AUTRES EXCLUSIVEMENT PAR LEURS ZONES DE CONTACT, DE FACON QUE LESDITES FIXATIONS N'AFFECTENT PAS LES INTERSTICES VIDES ENTRE BILLES. LE MATERIAU COMPOSITE CONFORME A L'INVENTION PEUT ETRE UTILISE POUR FORMER DES STRUCTURES TRAVAILLANTES, EN PARTICULIER DANS LE SECTEUR AEROSPATIAL OU DES TRANSPORTS, EN VUE D'ASSOCIER UN POIDS SPECIFIQUE REDUIT A D'EXCELLENTES CARACTERISTIQUES MECANIQUES.
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'UN ATRIAU COMPOSITE
MODULAIRE, tATERIAU REALISE ET PIECE OBTENUE A PARTIR
DUDIT ATERIAU
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un nouveau materiau composite modulaire. Elle vise à permettre la fabrication d'un matériau de faible poids spécifique, présentant de bonnes caractéristiques mécaniques et des propriétés aisément ajustables en fonction de chaque application.L'invention s'étend au matériau cornposite fabriqué par mise en oeuvre du procédé, ainsi qu'aux pièces mécaniques réalisées, utilisables dans divers secteurs techniques, et en particulier dans le secteur aérospatial ou dans celui des transports aériens ou terrestres où l'on recherche de bonnes caractéristiques mécaniques combiné es à un faible poids spécifique.
MODULAIRE, tATERIAU REALISE ET PIECE OBTENUE A PARTIR
DUDIT ATERIAU
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un nouveau materiau composite modulaire. Elle vise à permettre la fabrication d'un matériau de faible poids spécifique, présentant de bonnes caractéristiques mécaniques et des propriétés aisément ajustables en fonction de chaque application.L'invention s'étend au matériau cornposite fabriqué par mise en oeuvre du procédé, ainsi qu'aux pièces mécaniques réalisées, utilisables dans divers secteurs techniques, et en particulier dans le secteur aérospatial ou dans celui des transports aériens ou terrestres où l'on recherche de bonnes caractéristiques mécaniques combiné es à un faible poids spécifique.
On utilise depuis longtemps dans l'aéronautique des matériaux composites allégé s dits "nid d'abeille", qui sont formés par des parois ondulées à section semi-polygonale, assemblées entre elles par soudure, collage, brasage... pour constituer un matériau tridimensionnel à section polygonale. Toutefois un tel matériau présente des limites pratiques d'utilisation provenant essentiellement de l'anisotropie de ses propriétés mécaniques (une des directions se trouvant privilégiées par rapport aux autres) et de son caractère non moulable et non formable sans destruction des propriétés mécaniques ; par exemple un tel matériau comprimé suivant la direction privilégiée précitée (direction longitudinale des cellules polygonales) est le siège d'un flambage irreversihle qui en limite les possibilités.Ce plus un tel matériau ne peut être fabriqué sans discontinuité si on veut lui donner des propriétés évolutives dans l'espace.
Par ailleurs le brevet FR nO 1565344 décrit un matériau destiné à remplir des structures cellulaires en vue d'améliorer l'étancbé ité de ces structures. A cet effet ce matériau est réalisé au moyen d'une poudre métallique d'aluminium recouvert de nickel, qui est portage à haute température en vue d'assurer une diffusion de l'aluminium à travers le nickel vers les interstices entre grains ; on obtient ainsi un matériau formé de grains creux, qui sont fixés dans une matrice essentiellement à base d'aluminium remplissant les interstices entre grains.Ce matériau remplit de façon satisfaisante sa fonction d'étanchéité puisque les gaz sont arrétés par la matrice interstitielle, tout en ayant des qualités de légéreté améliorées par rapport à un matériau massif de même nature.Toutefois un tel matériau présente un poids spécifique nettement supérieur à celui des matériaux composites du type nid d'abeille Cen raison de la présence de la matrice interstitielle) et il est totalement inenvisageable de l'utiliser pour fabriquer des structures aéronautiques.En fait l'utilisation de ce matériau est cantonnée au remplissage de petites structures dont il améliore l'étanchéité sans en modifier notablement les caractéristiques mécaniques mais qu'il alourdit très sensiblement ; un tel matériau est essentiellement un matériau de remplissage et ne peut être utilisé en pratique pour participer de façon significative aux propriétés mécaniques d'une structure travaillante ; il est en effet totalement impossihle dans un matériau, formé de grains de poudres de diamtres variables dispersés de façon aléatoire dans la matrice de maintien, de maitriser simultanéinent la forme des grains, leur diamètre, leur épaisseur et la répartition desdits grains dans la matrice interstitielle de sorte que les propriétés mécaniques macroscopiques du matériau corresporldent à celle de la matrice avec un coéfficient de réduction inconnu et sont incompatibles avec l'obtention, de façon fiable, de hautes performances mécaniques spécifiques.
Comme cela ressort du brevet précité, l'intérêt d'un tel matériau réside donc, non pas dans ses caractéristiques mécaniques spécifiques qui sont médiocres et sans comparaison avec le nid d'aheille mais dans ses propriétés d'étanchéité combinées à une densité moindre par rapport à celle d'un matériau massif comparable.
Par ailleurs il a été proposé dans le domaine du bâtiment un matériau cellulaire composé de cellules sphériques notamment creuses, qui sont emprisonnées dans une masse servant de liant (brevet FR nO 75.04281) ; il est indiqué dans ce brevet que les cellules sphériques peuvent être en divers matériaux (ci-ment, p 1 plâtre, t r e, verre, fer, acier9 cuivre, bnis, aggloméré, polyester..) et que le liant est une masse fluide ou pâteuse, solidifiée, qui peut etre constituée par du ciment, du plâtre, de la chaux...Pour les motifs déjà évoqué s, un tel matériau présente un poids spécifique incompatible avec une utilisation dans un secteur mécanique notamment en aéronautique (essentiellenent en raison de la présence de la masse interstitielle qui remplit les interstices entre cellules et permet de fixer ces dernières).
De plus un tel matériau présente des caractéristiques de tenue en traction qui sont médiocres puisqu'elles sont au plus égale à celle du liant, avec un coéfficient de réduction notable provenant de la présence des cellules vides au coeur de ce liant.
La présente invention se propose d'indiquer un procédé de fabrication d'un nouveau matériau composite mod-ulaire.
L'objectif essentiel de l'invention est de fournir un matériau structural qui associe un poids spécifique réduit, compatible en particulier avec une utilisation dans le secteur aérospatial, à d'excellentes caractéristiques mécaniques permettant de l'utiliser comme matériau constitutif d'une structure travaillante. En particulier l'invention vise à fournir un matériau à caractéristiques mécaniques spécifiques notablement supérieures à celles du nid d'abeille.
Un autre objectif est de permettre de fabriquer un matériau apte à conserver de bonnes caractéristiques mécaniques spécifiques à haute température.
Un autre objectif est de fournir un matériau bénéficiant d'une nise en oeuvre facilité par rapport au nid d'abeille, par ses facultées de moulaqe et de formage à la presse, qui permettent de lui conférer toute forme souhaitée.
Un autre objectif est d'indiquer un procédé présentant une grande souplesse pour adapter les propriétés du matériau fabriqué, aux exigences des applications envisagées (propriétés mécaniques mais également électriques, thermiques, magnétiques...).
Un autre objectif est de fournir un matériau isotrope, ne présentant pas de direction privilégiée et en particulier ne présentant pas de direction de flambage ou de glissement.
A cet effet le procédé conforme à l'invention pour fabriquer un matériau composite modulaire consiste
(a) à utiliser des billes, comprenant chacune une peau continue située autour d' un noyau central sensiblement sphérique, lesdites billes ayant des diamètres externes voisins, supérieurs à 0,6 mm,
(b) à positionner lesdites billes au contact les unes des autres de façon à approcher une répartition géométrique du type cristallographique compact où chaque bille est en contact avec les douze voisines avec un taux de vide d'environ 26 %,
(c) à fixer lesdites billes ainsi positionnées les unes aux autres par leurs zones de contact, chaque bille étant fixée mécaniquement aux billes contiguës exclusivenent par ses zones de contact avec ces dernières et possédant entre ces zones de fixation des zones dégagées délimitant des interstices vides entre billes.
(a) à utiliser des billes, comprenant chacune une peau continue située autour d' un noyau central sensiblement sphérique, lesdites billes ayant des diamètres externes voisins, supérieurs à 0,6 mm,
(b) à positionner lesdites billes au contact les unes des autres de façon à approcher une répartition géométrique du type cristallographique compact où chaque bille est en contact avec les douze voisines avec un taux de vide d'environ 26 %,
(c) à fixer lesdites billes ainsi positionnées les unes aux autres par leurs zones de contact, chaque bille étant fixée mécaniquement aux billes contiguës exclusivenent par ses zones de contact avec ces dernières et possédant entre ces zones de fixation des zones dégagées délimitant des interstices vides entre billes.
Ainsi le procédé de l'invention conduit à un matériau qui se caractérise essentiellement par
uhe répartition compacte bien définie des billes qui ont individuellement des épaisseurs, diamètres et natures prédéterminées,
une fixation de chaque bille aux douze billes contigus par les douze zones de contact que donne la répartition compacte précitée,
des interstices vides entre billes, non affectés par la matière de fixation.
uhe répartition compacte bien définie des billes qui ont individuellement des épaisseurs, diamètres et natures prédéterminées,
une fixation de chaque bille aux douze billes contigus par les douze zones de contact que donne la répartition compacte précitée,
des interstices vides entre billes, non affectés par la matière de fixation.
Bien entendu ces interstices peuvent le cas échéant être remplis au moyen d'une matière de faible densité en vue de répartir les efforts de compression s'exerçant sur la périphérie de chaque bille. Mais il est important de noter que ce n'est pas cette éventuelle matière de remplissage (de faible densité) qui assure la jonction des billes et la cohésion d'ensemble du matériau : ce sont au contraire les multiples fixations des billes entre elles, qui donne sa cohésion au réseau formé, les propriétes mécaniques de celuici ne dépendant pas de façon substantielle de l'éventuel matériau de remplissage des interstices ; ce dernier peut ainsi être de densité très faible en vue de ne pas accroître de façon sensible le poids spécifique moyen du matériau, ou bien, être totalement absent, les interstices entre billes étant vides (c'est-à-dire occupés par de l'air ou le cas échéant tout~autre gaz). De plus le noyau central des billes est de préférence vide (rempli d'air) chaque bille étant formée par une peau ou coque, continue autoporteuse. De telles billes peuvent en particulier être fabriquées par mise en oeuvre du procédé décrit dans la demande de brevet française déposée simultanément par les demanderesses.
Un tel matériau composite possede un poids spécifique très réduit puisque son seul élément massique réside dans les coques des billes, le noyau interne de cellesci et les interstices externes ayant des densités très faibles, éventuellement négligeables (air). En outre la résistance m8caniolue et la frigidité de c e matériâcd sont remarquables en raison
des effets de voûtes convexes sur lesquelles s e répartissent les efforts,
des fixations entre billes,dont la répartition géométrique engendre une équirépartition des efforts et permet aux coq\les de travailler dans de bonnes conditions pour reprendre tous les efforts transmis (y compris les efforts de traction et de cisaillement).
des effets de voûtes convexes sur lesquelles s e répartissent les efforts,
des fixations entre billes,dont la répartition géométrique engendre une équirépartition des efforts et permet aux coq\les de travailler dans de bonnes conditions pour reprendre tous les efforts transmis (y compris les efforts de traction et de cisaillement).
Les expérimentations ont démontré que les caractéristiques mécaniques spécifiques d'un tel matériau sont supérieures à celles du nid d'abeille (pour des matières constitutives identiques) ; de même des essais comparatifs effectués à poids spécifique égal (billes à peau en nickel, nid d'abeille en alliage d'aluminium) ont permis d'observer des caractéristiques en compression et en cisaillement notablement meilleures dans le cas du matériau de l'invention que dans celui du nid d'aheille type aéronautique.
De plus le matériau de l'invention présente une géométrie sphérique qui lui confére une isotropie macroscopique sans direction privilégiée ; en particulier les essais ont montré qu'une compression à charge croissante engendre une déformation plastique progressive du matériau sans flambage.
De préférence on utilise des billes de diamètre externe compris entre 1 mm et 20 mm, possédant une peau d'épaisseur comprise entre 50 microns et 500 microns. Ces plages de valeur permettent en pratique de parfaitement maitriser la forme et les caractéristiques de chaque bille ainsi que leur arrangement selon la répartition compacte susévoquée, tout en autorisant une fixation très résistante dans les zones de contact sans affecter les sites interstitiels.
Ces billes peuvent être fabriquées par tout procédé et en particulier dans le cas de billes creuses vides, par le procédé décrit dans la demande de brevet déjà évoquée, déposée simultanément avec la présente demande.
Le pT oc é dé de l'invention donne toute souplesse pour ohtenir les propriétés recherchées dans chaque application en adaptant la nature des billes, leur diamètre et leur épaisseur de peau.
On peut en particulier utiliser des billes dont la peau comprend au moins une couche en métal ou alliage métallique à hautes caractéristiques mécaniques, cristallisés ou amorphes, notamment nickel et ses alliages ou oxydes, fer et ses alliages ou oxydes, titane et ses alliages ou oxydes, alliages légers tels qu'alliages d'aluminium (Au 4G..).Ces billes conduisent à des matériaux composites qui constituent un compromis remarquable poids spécifique/performances mécaniques.
I1 est également possible d'utiliser des billes dont la peau comprend au moins une couche en matière réfractaire, en particulier : acier réfractaire, cobalt et ses alliages ou oxydes, molybdène et ses alliages ou oxydes, chrome et ses alliages ou oxydes, tungstène et ses alliages ou oxydes, céramique... Le matériau composite obtenu conserve ses propriétés mécaniques spécifiques à très haute température.
Le procédé permet le cas échéant d'adapter le- matériau composite pour lui conférer d'autres propriétés spécifiques : propriété d'isolation sur le plan électrique en utilisant des billes en matière isolante (verre, céramique, matière synthétique polymérique...), propriétés d'isolation sur le plan thermique (utilisation de billes isolantes : céramique), propriétés magnétiques (utilisation de billes en matière ferromagnétique ou ferrimagnétique : oxyde de fer), propriété d'amortissement élastique en utilisant des billes dont la peau comprend au moins une couche en matière élastique (élastomère)...
De plus les billes peuvent être dotées d'une couche externe en une matière résistante à la corrosion (amorphes métalliques, chrone...).
Par ailleurs selon un mode de mise en oeuvre p ré fé ré, les billes sont fixées les unes aux a autres par brasage, en appliquant autour de leur peau une fine pellicule d'un produit de brasage et en chauffant l'ensemble après positionnement des billes à une température de brasage appropriée.
Le produit de brasage peut être déposé soit sous forme d'une poudre appliquée avant le positionnenent des billes soit sous forme d'une couche mince déposée par tout procédé physique ou chimique lors de la fabrication des billes. Lors de sa fusion, le produit de brasage se concentre par capillarité autour des zones de contact et forme un ménisque assurant la fixation mécanique des billes entre elles.
Les billes peuvent également entre fixées par tout autre moyen et en particulier par collage, en enduisant leur peau d'une fine pellicule de colle polymérisable et en laissant la colle polymériser après positionnenent des billes.
Le matériau conforme à l'invention présente l'avantage considérable d'être moulable et formable à la presse ; il peut être moulé pour fabriquer des pieces de formes diverses prédéterminées, soit des pièces limitées sur leur périphérie par une enveloppe, soit des pièces nues.
Dans le cas d'une pièce nue, le procédé est mis en oeuvre dans un moule de forme correspondant à celle de la pièce, la fixation des billes entre elles étant réalisée dans des conditions propres à éviter une adhérence des billes sur le moule afin de permettre de démouler la pièce après fixation des billes entre elles. Par exemple, en cas de brasage des billes, il est possible d'enduire le moule d'un inhibiteur de brasage (ou de prévoir un moule en un matériau non brasable).
Dans le cas d'une pièce dotée d'une enveloppe sur se périphérie, le procédé de l'invention est mis en oeuvre dans un moule constitué par cette enveloppe et les billes périphériques sont fixées à ladite enveloppe par leurs zones de contact avec celle-ci. La fixation des billes sur l'enveloppe peut en particulier être réalisée en même temps que la fixation des billes entre elles (brasage, collage etc...). On obtint ainsi une pièce dont l'état du surface est continue au niveau de l'enveloppe, état de surface qui peut être adapté à chaque application.
De p 1 u-s le caractère n ou 1 ah le du matériau composite conforme à l'invention permet d'intégrer à l'intérieur de celui-ci des inserts avec une bonne transmission des efforts entre insert et matériau.
Par ailleurs, selon un premier mode de mise en oeuvre, le positionnement des billes les unes par rapport aux autres est réalisé en les disposant dans un moule et en soumettant ledit moule à un mouvement vibratoire d'amplitude faible par rapport au diamètre des billes. Les billes viennent ainsi se répartir naturellement selon un empilement compact dans lequel chaque bille située au coeur se trouve en contact avec douze autres. Cet arrangement est obtenu dans chaque volume où les billes sont de ne me diamètre et conditionne les propriétés mécaniques du matériau obtenu après fixation des billes par leurs zones de contact.
I1 est également possible de positionner les billes individuellement dans le moule en couches successives de façon à obtenir la répartition géométrique précitée. Ce positionnement individuel permet le cas échéant de modifier les caractéristiques des billes selon leur position, tout en leur conservant des diamètres identiques ; cette distribution où les billes sont différentes selon les zones considérées (épaisseur de peau, nature) permet de réaliser un matériau à propriétés différenciées d'une zone à une autre, en vue de répondre à des contraintes non uniformes (contraintes mécaniques, thermiques, électriques...).
L'invention s'étend, en tant que produit nouveau, au matériau composite modulaire fabriqué par mise en oeuvre du procédé défini précédemment, ainsi qu'aux pièces moulées obtenues avec ce matériau. Ledit matériau se caractérise essentiellement par la présence d'une pluralité de billes de diamètres externes supérieurs à 0,6 n m, par des diamètres de billes voisins dans des volumes élémentaires du matériau, par une répartition géométrique des billes proche de la répartition de type cristallographique compact, et par des fixations des billes contiyubs les unes aux autres exclusivement par leurs zones de contact.
L'invention est illustrée par la description qui suit en référence au dessin annexé ; sur ce dessin
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une pièce obtenue par mise en oeuvre du procédé de l'invention,
- la figure 2 représente schénatiquement des billes creuses qui ont servi à la fabrication de ladite pièce,
- la figure 3 illustre la première étape du procédé décrit en exemple,
- la figure 4 illustre l'opération de positionnement des billes,
- la figure 5 est une coupe de la pièce obtenue, par un plan A,
- la figure 6 est un schéma de détail montrant une fixation entre billes,
- la figure 7 est une vue en coupe d'une éprouvette formée par le matériau conforme à l'invention, qui a été soumise à des tests comparatifs.
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une pièce obtenue par mise en oeuvre du procédé de l'invention,
- la figure 2 représente schénatiquement des billes creuses qui ont servi à la fabrication de ladite pièce,
- la figure 3 illustre la première étape du procédé décrit en exemple,
- la figure 4 illustre l'opération de positionnement des billes,
- la figure 5 est une coupe de la pièce obtenue, par un plan A,
- la figure 6 est un schéma de détail montrant une fixation entre billes,
- la figure 7 est une vue en coupe d'une éprouvette formée par le matériau conforme à l'invention, qui a été soumise à des tests comparatifs.
La pièce à exécuter représentée en 1 à la figure 1 présente la forme d'un tronçon d'aile comportant une enveloppe périphérique 10. Son taux de remplissage optimum a été défini préalablement par calcul et a permis de délimiter quatre volumes élémentaires z1, Z2, Z3, Z4 auxquelles correspondent des diamètres de billes différents.
La figure 2 représente lesdites billes creuses 2, 3, 4 dont les natures et épaisseurs de peau sont identiques (épaisseur : 120 microns, nature : nickel). Les diamètres des billes sont de 2,5 mn, 4 mm et 6 mm. Ces billes ont été fabriquées par le procédé décrit dans la demande de brevet déjà évoquée, déposée simultané ment à la présente.
Elles sont dans une première étape enduites d'une poudre à brasage symbolisée en 5 à la figure 2 ; la brasure utilisée est une brasure base nickel disponible dans le conmerce sous le nom "LM" fabriquée par "WAL-C0LllONOY" et est liée par un cément ("Nicrobraz 300R").
Le dépôt de brasure 5 sur les billes s'effectue dans un malaxeur 6 (figure 3) dans lequel on introduit successivement par des conduits 7, 8, 9 la brasure en poudre, le cément puis les billes.
La quantité de poudre à braser introduite est de 3,9 g/dm2 de surface de bille. Le cément liquide est introduit à raison de 0,2 ml par gramme de poudre.
Le malaxage s'effectue jusqu'à obtenir un recouvrement uniforme de la surface des billes.
La figure 4 représente la pièce 1 en tours d'exécution. Dans cet exemple l'enveloppe ln de la pièce est utilisée comne moule. Celle-ci est placée sur un socle de graphite 1 1 sur lequel on a préalablement déposé une couche d'anti mouillant, une face ouverte de la pièce étant au contact du socle de graphite, cependant que l'autre sert d'orifice de remplissage. Le moule formé par l'enveloppe est enduit sur sa face interne de poudre de brasage et cloisonné par trois clinquants de brasure 12 délimitant les volumes élémentaires.
L'ensemble est posé sur une table vibrante 13, dont l'amplitude de vibration est de l'ordre d'une dizaine de microns.
Les billes enduites de brasure sont introduites par l'orifice supérieur dans les compartiments respectifs définis précédemment. Les billes de 6 mm de diamètre sont disposées dans le compartiment correspondant au volume Z2, les billes de 4 mn de diamètre dans le volume Z3, et les billes de 2,5 mm dans les volumes Z1 et Z4. Ces billes se positionnent sous l'effet de leur poids et des vibrations elles viennent naturellement constituer entre elles un empilement compact. Cet empilement compact est obtenu de façon quasi optimale au bout de 5 mn et est schématisé à la figure 5 ; cet empilement se retrouve dans tous les volumes élémentaires et est de type cristallographique compact où chaque bille située au coeur du matériau est en contact avec douze autres, le coéfficient de vide étant d'environ 26 S.
La pièce est ensuite disposée dans un four sous vide. Les conditions de brasage sont les suivantes
- pression : 3 10-4 millibar
- température : 9200 (20 mn), 10700 (15 mn)
- vitesse de montée en température : 0,050 C/minute
- durée du palier de brasage : 15 minutes
- refroidissement : pression de gaz 0,3 bar (azote)
Après refroidissement complet du four la pince en est extraite et dégagée de la plaque graphite.
- pression : 3 10-4 millibar
- température : 9200 (20 mn), 10700 (15 mn)
- vitesse de montée en température : 0,050 C/minute
- durée du palier de brasage : 15 minutes
- refroidissement : pression de gaz 0,3 bar (azote)
Après refroidissement complet du four la pince en est extraite et dégagée de la plaque graphite.
La figure 6 montre un détail de brasage des billes entre elles. I1 apparait un ménisque de~brasure 14 autour de chaque zone de contact ; ces ménisques fixent mécaniquement les billes entre elles et laissent libres les interstices entre billes.
Cet exemple illustre la fabrication par moulage d'une pièce mécanique de forme. La propriété de modularité du matériau est exploitée en mettant en oeuvre des billes de diamètres différents dans des volumes prédéterminés par le calcul. Les assemblages compacts obtenus dans chacun de ces volumes permettent d'approcher une isotropie macroscopique des répartitions des contraintes.
Il est à noter que, dans chaque volume élémentaire, les billes ont un diamètre constant qui conditionne la répartition géométrique compacte sus-évoquée.
Toutefois il est possible de modifier dans chaque volume la nature et l'épaisseur de la peau (en conservant le diamètre externe) pour conférer à la pièce des propriétés évolutives dans des zones différentes du volume, par exemple évolution progressive ou non d'une face ouverte à l'autre. De même il est possible au moment du positionnement des billes de loger un insert au coeur du matériau comme cela est souvent nécessaire en aéronautique.
Pour caractériser le matériau composite du point de vue mécanique, on a réalisé une éprouvette parallélépipédique 15 délimitée par une enveloppe formée de deux tôles parallèles 16 et 17 (figure 7).
Cette éprouvette est constituée d'un empilage compact de sphères creuses de nickel de diamètre de 6 mm et d'épaisseur de 120 microns. La fabrication de l'éprouvette a été réalisée en remplissant un moule dont deux parois verticales opposées sont recouvertes par les tôles 16 et 17 (en acier inoxydahle "Z6 CN 18.10" et d'épaisseur 0,4 mm) ; ces tôles sont enduites de poudre à braser ; la distance entre tôles est de 15,2 mm. tes deux autres faces et le fond du moule sont enduits d'une couche d'antimouillant.
Avant introduction des billes dans le moule, celles-ci sont enduites de poudre à braser dans les conditions déjà décrites.
Au monent du remplissage, le moule est soumis à un mouvement vibratoire afin d'assurer le positionnement des billes suivant une répartition compacte.
Le moule est ensuite disposé dans le four et le brasage est effectué dans les conditions déjà décrites.
Le tableau ci-après donne les contraintes mécaniques spécifiques obtenues, comparées à celles du Nid d'Abeille en alliage léger de qualité aéronautique de même poids spécifique.
<tb> <SEP> Contrainte
<tb> Matériau <SEP> : <SEP> Densité <SEP> :---------------------------- <SEP>
<tb> <SEP> Compression <SEP> : <SEP> Cisaillement
<tb> <SEP> limite <SEP> d'écra- <SEP> limite <SEP> de <SEP> déforma- <SEP>
<tb> <SEP> sement <SEP> (bars) <SEP> tison <SEP> permanente
<tb> <SEP> (bars) <SEP>
<tb> Nid <SEP> AG3 <SEP> = <SEP> 15
<tb> d'Abeille <SEP> : <SEP> 14,5 <SEP> :<SEP> AC5 <SEP> = <SEP> 21
<tb> <SEP> AU4G <SEP> = <SEP> 22,5 <SEP>
<tb> composite <SEP>
<tb> invention <SEP> 0,5 <SEP> 23,5
<tb> Nid
<tb> <SEP> (AG3 <SEP> = <SEP> 26
<tb> d'Abeille <SEP> 0,7 <SEP> :Direction <SEP> L <SEP> (AG5 <SEP> = <SEP> 32,5
<tb> <SEP> (AU4G <SEP> = <SEP> 30
<tb> <SEP> (AG3 <SEP> = <SEP> 16
<tb> <SEP> Direction <SEP> W <SEP> (AG5 <SEP> = <SEP> 18,5
<tb> <SEP> (AU4G <SEP> = <SEP> 17,5
<tb> Composite
<tb> invention <SEP> 0,7 <SEP> 42
<tb>
<tb> Matériau <SEP> : <SEP> Densité <SEP> :---------------------------- <SEP>
<tb> <SEP> Compression <SEP> : <SEP> Cisaillement
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<tb> <SEP> sement <SEP> (bars) <SEP> tison <SEP> permanente
<tb> <SEP> (bars) <SEP>
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<tb> composite <SEP>
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<tb> Composite
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<tb>
Les plages de valeurs données dans le cas du
Nid d'Abeille correspondent aux trois nuances d'alliages légers les plus utilisés "AU4G", "AG5", "AG3".
Nid d'Abeille correspondent aux trois nuances d'alliages légers les plus utilisés "AU4G", "AG5", "AG3".
Autant en compression qu'en cisaillement, les caractéristiques spécifiques obtenues sont supérieures ou au moins égales à celle du nid d'abeille.
Ces essais montrent l'intérêt d'un tel matériau modulaire, isotrope et moulable dont les propriétés mécaniques spécifiques sont bien adaptées à une utilisation dans l'aéronautique comme matériau de structure.
Claims (23)
1/ Procédé de fabrication d'un matériau composite modulaire, caractérisé en ce qu'il consiste
(a) à utiliser des billes, comprenant chacune une peau continue située autour d'un noyau central sensiblement sphérique, lesdites billes ayant des diamètres externes voisins, supérieurs à 0,6 mm,
(b) à positionner lesdites billes au contact les unes des autres de façon à approcher une répartition géométrique du type cristallographique compact où chaque bille est en contact avec les douze voisines avec un taux de vide d'environ 26 %',
(c) à fixer lesdites billes ainsi positionnées les unes aux autres par leurs zones de contact, chaque bille étant fixée mécaniquement aux billes contiguës exclusivement par ses zones de contact avec ces dernières et possédant entre ces zones de fixation des zones dégagées délimitant des interstices vides entre billes.
2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que (a) l'on utilise des billes de diamètre externe compris entre 1 mn et 20 mm, possédant une peau d'épaisseur comprise entre 50 microns et 500 microns.
3/ Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que (a) l'on utilise des billes ayant un noyau central vide et une peau continue autoporteuse.
4/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que (a) l'on utilise des billes dont la peau comprend au moins une couche en métal ou alliage métallique à hautes caractéristiques mécaniques.
5/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que (a) l'on utilise des billes dont la peau comprend au moins une couche en matière réfractaire.
6/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que (a) l'on utilise des billes dont la peau comprend a moins une couche en une matière isolante sur le plan électrique.
7/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que (a) l'on utilise des billes dont la peau comprend au moins une couche en une matière isolante sur le plan thermique.
8/ Procédé selon l'une de-s revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en c e que (a) l'on utilise des billes dont la peau comprend au noins une couche en une matière ferro-nagnétique, ou ferrimagnétique.
9/ Procédé selon l'une des revendication 1 2, 3, 6, 7, caractérisé en ce que (a) l'on utilise des billes dont la p e a ti c o m p r e n d au moins une couche en matière élastique.
10/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que (a) l'on utilise des billes à peau multicouche composée d'au moins deux couches différentes, chacune conforme à l'une des revendications 5 6, 7, 8 ou 9 en vue de cnnbiner les propriétés desdites couches.
11/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, & 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que (b) les bill-es sont positionnées en les disposant dans un moule et en soumettant ledit moule à un mouvement vibratoire d'amplitude faible par rapport au diamètre des billes.
12/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que (b) les billes sont positionnées dans un moule par une mise en place individuelle an couches successives de façon à obtenir la répartition géométrique précitée.
13/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, l0, 11 ou 12, caractérisé en ce que (c) les billes sont fixées les unes aux autres par brasage, en appliquant autour de leur peau une fine pellicule d'un produit de brasage et en chauffant l'ensemble après positionnement des billes 9 une température de brasage appropriée.
14/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que (c) les billes sont fixées les unes aux autres par collage, en enduisant leur peau d'une fine pellicule de colle polymérisable et en laissant la colle polymériser après positionnement des billes.
15/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, après fixation des billes, (d) l'on remplit les interstices vides entre billes au moyen d'une matière de faible densité, apte à répartir les efforts de compression s' exerçant sur la périphérie de chaque bille.
16/ Procédé selon l'une des revendications précédentes en vue de fabriquer un matériau ayant des propriétés différenciées d'une zone à une autre, caractérisé en ce que, lors de leur positionnement (b), l'on distribue les billes de façon à constituer plusieurs zones contiguës, les billes utilisées dans une zone étant différentes de celles utilisées dans une autre zone.
17/ Procédé de fabrication d'une pièce de forme prédéterminée, réalisée en matériau composite modulaire et limitée sur sa périphérie par une enveloppe (10) caractérisé en ce que:
l'on met en oeuvre le procédé conforme à l'une des revendications 11 ou 12 dans un moule constitué par l'enveloppe (10) sus évoquée,
et l'on fixe les billes périphériques à ladite enveloppe par leurs zones de contact avec celle-ci.
18/ Procédé de fabrication selon la revendication 17, caractérisé en ce que la fixation des billes sur l'enveloppe est réalisée en même temps que la fixation des billes entre elles, par brasage ou collage.
19/ Procédé de fabrication d'une pièce nue de forme pré déterminée, réalisée en matériau composite modulaire, caractérisé en ce que
l'on met en oeuvre le procédé conforme à l'une des revendications 11 ou 12 dans un moule de forme correspondant à celle de la pièce, la fixation des billes entre elles étant réalisée dans des conditions propres à éviter une adhérence des billes sur le moule,
l'on démoule ensuite la pièce obtenue.
20/ Matériau composite modulaire fabriqué parmise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1 à 16, se caractérisant par la présence d'une pluralité de billes (2, 3, 4) de diamètres externes supérieurs à 0,6 mm, le diamètre des billes étant voisin dans des volumes élémentaires du matériau (Z1, Z22 Z3 Z4), lesdites billes étant géométriquement agencées selon une répartition proche de la répartition de type cristallographique compact, et étant fixées les unes aux autres exclusivement par leurs zones de contact (14).
21/ Matériau composite modulaire selon la revendication 20 dans lequel chaque bille est creuse et formée par une peau autoporteuse à au moins une couche.
22/ Matériau composite modulaire selon la revendication 21, dans lequel chaque couche de la peau de chaque bille est en une matière du groupe : nickel, fer, titane, chrome, molybdène, tungstène , cobalt, ou leurs alliages ou oxydes, cristallisés ou amorphes, alliage d'aluminium, acier réfractaire, céramique, matière synthétique, élastomères.
23/ Pièce moulée en un matériau composite modulaire conforme à l'une des revendications 20, 21 ou 22.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8511748A FR2585445B1 (fr) | 1985-07-25 | 1985-07-25 | Procede de fabrication d'un materiau composite modulaire, materiau realise et piece obtenue a partir dudit materiau |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8511748A FR2585445B1 (fr) | 1985-07-25 | 1985-07-25 | Procede de fabrication d'un materiau composite modulaire, materiau realise et piece obtenue a partir dudit materiau |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2585445A1 true FR2585445A1 (fr) | 1987-01-30 |
| FR2585445B1 FR2585445B1 (fr) | 1988-03-11 |
Family
ID=9321842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8511748A Expired FR2585445B1 (fr) | 1985-07-25 | 1985-07-25 | Procede de fabrication d'un materiau composite modulaire, materiau realise et piece obtenue a partir dudit materiau |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2585445B1 (fr) |
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