FR2744785A1 - Barreau rigide tubulaire, notamment pour applications spatiales - Google Patents

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Abstract

Le barreau comprend un noyau tubulaire (1) en un matériau composite constitué par des fibres noyées dans une résine. Suivant l'invention, ledit matériau composite comprend des fibres d'au moins des premier et deuxième types différents, les deux types de fibres présentant des coefficients de dilatation thermique variant en sens inverses dans le domaine des températures subies par le barreau. Application à la réalisation de supports à géométrie stable dans l'espace, ou d'éléments d'instruments de métrologie.

Description

La présente invention est relative à un barreau rigide, notamment pour des applications spatiales et, plus particulièrement, à un tel barreau comprenant un noyau tubulaire en un matériau composite constitué par des fibres noyées dans une résine.
On connaît un tel barreau du brevet français nO 2 638 672 déposé au nom de la demanderesse et appelé ci-après "brevet précité", ce barreau étant destiné notamment à supporter dans l'espace des appareils tels qu'antennes, panneaux solaires, caméras, télescopes, etc... I1 est aussi utilisable en métrologie pour la réalisation de bancs et d'instruments de mesure et, plus généralement, dans toute application impliquant l'utilisation d'un barreau de grande rigidité, à géométrie parfaitement stable, dans un milieu agressif à température variable.
Le barreau décrit dans le brevet précité comprend un noyau tubulaire constitué de fibres de carbone noyées dans une résine époxy thermodurcissable, des feuilles d'aluminium étant collées sur toutes les surfaces interne et externe du noyau tubulaire. Ces feuilles, éventuellement anodisées, empêchent un dégazage dans l'espace du matériau composite formant ce noyau, ou une hydratation à terre de ce matériau.
Les variations dimensionnelles de ces feuilles (à coefficient de dilatation thermique positif) en fonction de la température, contrarient celles des fibres de carbone (à coefficient de dilatation thermique négatif) pour assurer la stabilité de la géométrie du barreau en présence de variations de température, ce qui est essentiel notamment dans les applications citées ci-dessus.
On comprend que lorsque l'application visée exige un barreau de grande rigidité, on doit disposer dans les noyaux beaucoup de fibres, sensiblement parallèlement à l'axe du barreau par exemple. Plus la quantité de fibres croît, plus l'épaisseur des feuilles d'aluminium utilisées doit croître aussi pour contrebalancer efficacement les effets du coefficient de dilatation thermique négatif des fibres. On peut arriver ainsi à une solution impraticable si l'épaisseur et donc la rigidité des feuilles d'aluminium deviennent trop grandes pour que celles-ci puissent être roulées et installées contre les surfaces interne et externe du noyau tubulaire.
Pour fabriquer des barreaux de forte rigidité et présentant de faibles coefficients de dilatation thermique et hydrique, on peut alors penser à désorienter des nappes superposées de fibres de carbone dans le noyau tubulaire, c'est-à-dire à disposer les fibres des nappes non parallèlement à l'axe du noyau, de manière que leurs dilatations se contrarient au moins partiellement pour maintenir le coefficient de dilatation thermique global du barreau en dessous d'une valeur faible prédéterminée.
Malheureusement, on a observé alors que des fissures ou criques apparaissent dans l'épaisseur de la paroi du noyau tubulaire, certaines fissures radiales se propageant même dans les feuilles d'aluminium en détruisant alors l'étanchéité établie par les feuilles.
Des études ont montré que ces fissures résultaient de la libération de contraintes critiques dans le matériau composite formant le noyau tubulaire, pendant le refroidissement de la résine thermodurcissable du matériau qui intervient lors de la fabrication du barreau. Ces études ont aussi montré que les contraintes critiques en cause résultaient elles-mêmes de la désorientation des fibres du matériau.
La présente invention a donc pour but de réaliser un barreau tubulaire en matériau composite du type décrit au brevet précité, présentant une forte rigidité et un coefficient de dilatation thermique sensiblement nul, notamment suivant son axe, et qui ne présente aucune fissure ou crique susceptible d'altérer ses caractéristiques mécaniques et/ou physiques.
La présente invention a aussi pour but de réaliser un tel barreau qui présente en outre un coefficient de dilatation hydrique sensiblement nul.
On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un barreau rigide comprenant un noyau tubulaire en matériau composite constitué par des fibres noyées dans une résine, ledit matériau composite étant remarquable en ce qu'il comprend des fibres d'au moins des premier et deuxième types différents, les deux types de fibres présentant des coefficient de dilatation thermique variant en sens inverses dans le domaine des températures subies par le barreau.
Grâce à l'invention, on peut faire en sorte que les effets d'une variation de température sur les fibres d'un des deux types soient sensiblement contrebalancés par les effets de cette variation sur les fibres de l'autre type, de manière que le coefficient de dilatation thermique du barreau reste sensiblement nul, en assurant ainsi la stabilité dimensionnelle du barreau, au moins suivant son axe.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les fibres sont sensiblement unidirectionnelles et disposées globalement dans le noyau, sensiblement parallèlement à son axe. De manière optionnelle, des feuilles métalliques peuvent recouvrir les surfaces cylindriques externe et interne de la paroi du noyau.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure unique représente schématiquement une coupe axiale partielle du barreau suivant l'invention.
Comme représenté à la figure, ce barreau comprend un noyau tubulaire 1 en un matériau composite dont les surfaces cylindriques extérieure 2 et intérieure 3 peuvent être recouvertes de feuilles métalliques minces 4 et 5 respectivement. Des embouts tels que 6 peuvent être disposés aux extrémités du noyau tubulaire 1. A ce point de la description, le mode de réalisation décrit du barreau suivant l'invention ne se distingue pas de celui qui fait l'objet du brevet précité, auquel on se reportera pour plus de détails sur les éléments énoncés ci-dessus ainsi que sur le procédé de fabrication du barreau suivant l'invention, tout à fait similaire à celui décrit dans le brevet précité.
En bref, ce procédé consiste à disposer des fibres et de la résine entre les deux feuilles 4 et 5 mises en forme cylindrique, puis à polymériser ou cuire la résine du matériau composite fibres/résine pour constituer le noyau 1 du barreau. Pour ce faire, un mandrin gonflable est passé dans l'espace délimité par la feuille cylindrique interne 5 et l'ensemble est disposé dans un moule. On polymérise ou on cuit la résine emprisonnée entre les deux feuilles, le manchon étant gonflé pour que cette opération s'opère sous pression.
Plus précisément, le procédé consiste tout d'abord à entourer le mandrin gonflable de la feuille métallique 5, à superposer ensuite des nappes de fibres préimprégnées de résine par dessus la feuille 5, puis à recouvrir l'ensemble par la feuille 4 avant de placer cet ensemble dans un moule chauffant.
Suivant la présente invention, on superpose alors des nappes de fibres d'au moins deux types, les fibres d'un type et celles de l'autre type présentant des coefficients de dilatation thermique variant en sens inverses, au moins dans le domaine des températures subies par le barreau dans les environnements où il est conservé ou utilisé.
Les fibres étant sensiblement unidirectionnelles et disposées globalement dans le noyau parallèlement à son axe, on comprend qu'en ajustant les proportions relatives des deux types de fibres dans la résine du noyau, on peut faire en sorte qu'une variation de température qui allonge les fibres d'un type et raccourcit les fibres d'un autre type, n influe pas sur la longueur du barreau, grâce à la compensation qui s'établit alors entre les allongements et les raccourcissements des fibres du noyau. On peut ainsi obtenir un barreau très rigide, comportant donc beaucoup de fibres, sans avoir à épaissir exagérément les feuilles d'aluminium qui, dans la technique antérieure, servaient à contrarier les variations dimensionnelles des fibres en présence d'une variation de température, outre leur rôle d'isolation du matériau composite vis-à-vis de l'environnement.
L'alignement global des fibres suivant l'axe du noyau permet de supprimer les fissures ou criques observées dans certains barreaux construits à partir de nappes de fibres désorientées. On ne craint plus alors des propagations de ces fissures jusqu'aux feuilles métalliques, fissures responsables d'une hydratation ou d'un dégazage sensible du matériau composite constituant le noyau, comme on l'a vu plus haut.
On a construit un barreau suivant l'invention, d'un diamètre extérieur de 5 cm et d'une longueur de 65 cm, constitué d'un noyau recouvert de feuilles d'aluminium de 50 um d'épaisseur, le noyau étant réalisé à partir d'un empilage de nappes de fibres préimprégnées de résine s'ordonnant de la manière suivante, entre les deux feuilles métalliques 4 et 5
- deux nappes 7 de fibres de verre type E préimprégnées, de 100 um d'épaisseur chacune, référencées verre E/DA 508 dans les catalogues de la société Structil,
- seize nappes de fibres de carbone préimprégnées, de 125 um d'épaisseur chacune, référencées M 40/914 dans les catalogues de la société Brochier,
- deux nappes 8 de fibres de verre E, comme ci-dessus.
L'orientation des fibres est sensiblement celle de l'axe du noyau. Le coefficient de dilatation thermique des fibres de carbone est négatif alors que celui des fibres en verre E est positif. La résine imprégnant les fibres est du type époxy 914. Le procédé de fabrication utilisé pour réaliser le barreau est celui décrit dans le brevet précité.
L'examen du barreau révèle une absence totale de criques ou de fissures. La rigidité axiale du barreau, ses coefficients de dilatation thermique et hydrique, dans le domaine de températures envisagé, sont conformes aux valeurs fixées attendues : module d'Young longitudinal > 180.000 MPa, coefficient de dilatation thermique longitudinal a1 tel que 0 > al 2 - 0, 35.10-9 par "C, coefficient de dilatation hydrique ss tel que 0,4.10-4 > ss > 0.
Dans certaines applications, on peut souhaiter que le coefficient de dilatation thermique du barreau, sur son axe, ne soit pas nul ou sensiblement nul. C'est le cas quand le barreau doit, au contraire, suivre la dilatation thermique d'un appareil auquel il est mécaniquement lié. On comprend que la présente invention permet alors tout aussi bien, par un réglage des proportions relatives des fibres des deux types, de fixer la valeur du coefficient de dilatation thermique du barreau à une valeur non nulle souhaitée, suivant son axe.
De ce qui précède, il découle que la compensation de la variation de longueur des fibres du noyau ne repose plus essentiellement, suivant l'invention, sur les feuilles d'aluminium qui l'enveloppent, bien que l'action de ces feuilles doive être prise en compte si elle est sensible.
Quand le barreau suivant l'invention est utilisé dans des conditions où il n'est pas susceptible d'être affecté par une hydratation ou un dégazage du matériau composite constituant le noyau, on peut alors supprimer les feuilles d'aluminium qui le protègent.
Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus du barreau suivant l'invention, à titre d'exemple seulement, on remarque que les nappes de fibres de verre sont disposées au voisinage des deux surfaces externe et interne 2 et 3 du noyau. On isole ainsi électriquement les fibres de carbone, conductrices, des feuilles d'aluminium, également conductrices.
Cet isolement est avantageux, notamment dans les environnements où des milieux ioniques pourraient, en s'introduisant entre les fibres de carbone et les feuilles d'aluminium provoquer des phénomènes d'électrolyse susceptibles de détériorer le barreau. Quand de telles dégradations ne sont pas à craindre, on peut disposer les fibres isolantes ailleurs qu'à proximité des surfaces 2, 3 du noyau.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi qu'on pourrait utiliser plus de deux types de fibres pour constituer le noyau en matériau composite, ou des résines thermoplastiques autres que des résines époxy. De même l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de fibres de carbone d'une part et de fibres de verre de type E, d'autre part. Des fibres aramide, du type KEVLAR (marque déposée) pourraient être substituées aux fibres de carbone et des fibres en matériaux céramiques tels que le verre de type R, le carbure de silicium, l'alumine, la mullite, le nitrure de silicium par exemple, pourraient être substituées aux fibres en verre de type E. En outre, les fibres peuvent n'être pas disposées strictement parallèlement à l'axe du noyau. Elles peuvent être quelque peu inclinées sur cet axe, jusqu'à 20 sans que l'on sorte pour autant du domaine de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Barreau, rigide notamment pour applications spatiales, comprenant un noyau tubulaire (1) en un matériau composite constitué par des fibres noyées dans une résine, caractérisé en ce que ledit matériau composite comprend des fibres d'au moins des premier et deuxième types différents, les deux types de fibres présentant des coefficients de dilatation thermique variant en sens inverses dans le domaine des températures subies par le barreau.
2. Barreau conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont sensiblement unidirectionnelles et disposées globalement sensiblement parallèlement à l'axe du noyau (1).
3. Barreau conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les fibres du premier type sont en carbone, et en ce que les fibres (7, 8) du deuxième type sont en un matériau céramique.
4. Barreau conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau céramique est choisi dans le groupe formé par : le verre type R ou E, le carbure de silicium, l'alumine, la mullite, le nitrure de silicium.
5. Barreau conforme à l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les fibres (7, 8) en matériau céramique sont disposées au voisinage des surfaces cylindriques externe (2) et interne (3) du noyau tubulaire (1).
6. Barreau conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fibres sont disposées en nappes superposées préimprégnées de résine, chaque nappe étant constituée de fibres d'un des deux types.
7. Barreau conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résine est une résine thermodurcissable.
8. Barreau conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des feuilles métalliques (4, 5) recouvrant les surfaces cylindriques externe (2) et interne (3) du noyau tubulaire (1).
9. Barreau conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que les feuilles métalliques (4, 5) adhèrent au noyau (1).
10. Barreau conforme à l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les feuilles métalliques (4, 5) sont en aluminium, éventuellement anodisées.
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