FR3074721A1 - Vitrage feuillete aeronautique a haute resistance a la rupture au choc a l'oiseau - Google Patents

Vitrage feuillete aeronautique a haute resistance a la rupture au choc a l'oiseau Download PDF

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Abstract

La présente invention a trait à - un vitrage feuilleté pour un véhicule ou un bâtiment, caractérisé en ce qu'il comprend une feuille de matériau polymère structurale intérieure et une feuille de verre structurale extérieure ayant une contrainte à rupture de 350 à 1000 MPa aux caractéristiques de sollicitation d'un choc oiseau ; - l'application de ce vitrage feuilleté comme vitrage d'avion soumis aux exigences de tenue au choc à l'oiseau.

Description

VITRAGE FEUILLETE AERONAUTIQUE A HAUTE RESISTANCE A LA RUPTURE AU CHOC A L’OISEAU
Le dimensionnement mécanique des vitrages aéronautiques est gouverné par l’exigence de résistance aux impacts par des oiseaux. La masse des vitrages est donc fortement gouvernée par l’exigence de résistance aux chocs d’oiseaux. Cette invention est une composition de vitrage à masse réduite constitué d’un verre structural à contrainte à rupture élevée et d’un plastique structural tenace. La contrainte à rupture est aussi appelée quelquefois module à rupture (en anglais « Module of Rupture >> - MOR
A l’heure actuelle, les vitrages aéronautiques sont constitués d’au moins deux plis afin d’assurer une sécurisation en cas de rupture d’un pli. Un troisième pli peut être ajouté en face externe pour gérer des exigences aérodynamiques et/ou comme support de la fonction de chauffage pour le dégivrage.
Les plis apportant les propriétés mécaniques sont appelés les plis structuraux : ils sont soit :
- deux plis de verre à haute contrainte à rupture ; soit
- deux ou plus de plis en matériau polymère : poly(méthacrylate de méthyle (PMMA) de coulée (en anglais « as cast ») ou étiré, polycarbonate (PC), polyuréthane (PU).
Le gain de masse est une exigence permanente de l’industrie aéronautique. Les vitrages à deux plis structuraux de verre d’une part, de PMMA étiré d’autre part, permettent d’accéder à des masses sensiblement similaires de vitrage feuilleté.
Les vitrages en polycarbonate permettent une réduction de masse, mais le polycarbonate a par ailleurs de nombreux défauts :
- forte sensibilité à la rayure ;
- dégradation continue des performances mécaniques dans le temps ;
- jaunissement sous rayonnement UV ;
- tendance au délaminage ;
- défaillance par fatigue (aux alternances d’augmentations et diminutions de pression) au niveau des attachements (trous dans la feuille de PC pour le boulonnage) ;
- module élastique plus faible qui entraîne des déformations importantes des vitrages sous les effets de la pressurisation avion.
Lors de l’impact d’un oiseau, le vitrage est fléchi localement, ce qui induit des contraintes sur les vitrages. C'est la surface la plus éloignée du choc qui reçoit les contraintes les plus élevées pouvant engendrer la rupture du pli structural intérieur du vitrage feuilleté avion. Au contraire le pli structural extérieur est très peu sollicité en extension voire est mis en compression, ce qui le préserve. Dans la direction du choc à l’oiseau, de l’extérieur vers l’intérieur de l’avion, le bloc structural du vitrage feuilleté est soumis à des contraintes en compression puis à des contraintes en extension, les deux types de contraintes étant séparés par un plan dit de « fibre neutre >> (charge nulle) au sein du bloc structural.
L’invention a pour objectif de combiner deux feuilles structurales pour repousser la limite de rupture du vitrage feuilleté au choc à l’oiseau. Cet objectif est atteint par l’invention qui, en conséquence, a pour objet un vitrage feuilleté pour un véhicule ou un bâtiment, caractérisé en ce qu’il comprend une feuille de matériau polymère structurale intérieure et une feuille de verre structurale extérieure ayant une contrainte à rupture de 350 à 1000 MPa aux caractéristiques de sollicitation d’un choc oiseau.
L’invention consiste en la réalisation d’un bloc structural formé d’un verre à haute contrainte à rupture en face la plus extérieure du bloc structural et d’un matériau polymère placé en face interne du vitrage et caractérisé par un faible module élastique.
Le verre a un haut module élastique de l’ordre de 70GPa environ, très supérieur à celui des matériaux polymères (quelques GPa dans les conditions de sollicitation d’un choc oiseau). C’est donc le verre qui régit principalement les déformations du vitrage.
Par rapport à un vitrage à deux verres structuraux, la fibre neutre (de charge nulle) est déplacée vers l’extérieur du bloc structural en position de montage du vitrage feuilleté, plus précisément à l’intérieur du verre structural extérieur: sa charge est donc accrue. En d’autres termes, la feuille de verre structurale extérieure est ici contrainte en extension. La feuille de matériau polymère structurale intérieure est peu déformée grâce à la raideur du verre. Par ailleurs, du fait de son faible module élastique, le matériau polymère demande de plus grandes déformations que le verre pour se charger.
Grâce à l’invention, il est possible d’optimiser la masse du vitrage feuilleté en cherchant à atteindre simultanément la limite à rupture sur le verre et sur le matériau polymère, ce qui est impossible quand les deux plis structuraux sont de même nature.
Par rapport à un vitrage feuilleté avion dans lequel les deux plis structuraux seraient en verre ou en PMMA, celui de l’invention procure à la fois des performances meilleures au choc à l’oiseau, notamment, et un gain de masse du bloc structural de l’ordre de 20 % par exemple.
L’encapsulation totale de la feuille de verre structurale extérieure autorise le choix de renforcements chimiques superficiels permettant d’accéder à des niveaux de renforcement plus élevés que les verres à renforcement profond. On précise que le renforcement profond permet d’éviter la perte des performances mécaniques par rayure de la surface, qui ne peut pas se produire en cas d’encapsulation.
Selon d’autres caractéristiques du vitrage feuilleté de l’invention :
la feuille de matériau polymère structurale intérieure est en poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) étiré ou non étiré, en polyuréthane (PU) structural ou en polycarbonate (PC), d’épaisseur comprise entre 5 et 22 mm ;
- la feuille de verre structurale extérieure est en verre sodocalcique ou aluminosilicate, d’épaisseur comprise entre 3 et 20 mm ;
- la feuille de verre structurale extérieure est renforcée chimiquement ; le renforcement chimique consiste par exemple en la substitution d’ions sodium par des ions potassium, ou d’ions lithium par des ions sodium, c’est-à-dire chaque fois par des ions plus gros, à la surface des feuilles de verre; c’est ce qui augmente leur contrainte de compression de surface et leur contrainte à rupture ;
- les feuilles structurales intérieure et extérieure sont collées l’une à l’autre par l’intermédiaire d’une première couche adhésive intercalaire d’épaisseur comprise entre 0,5 et 5, de préférence entre 1,8 et 3,2 mm ;
- le vitrage feuilleté comprend, du côté de la feuille de verre structurale extérieure opposé à la feuille de matériau polymère structurale intérieure, une feuille de verre extérieure d’épaisseur comprise entre 0,5 et 5 mm ; cette feuille de verre extérieure, fine et non structurale, constitue la surface extérieure du vitrage feuilleté, en contact avec l’atmosphère extérieure ;
- la feuille de verre extérieure est de type sodocalcique ou aluminosilicate ;
- la feuille de verre extérieure est semi-trempée ou renforcée chimiquement ;
- la feuille de verre extérieure est collée à la feuille de verre structurale extérieure par l’intermédiaire d’une seconde couche adhésive intercalaire d’épaisseur comprise entre 2 et 12, de préférence 3 et 7 mm ;
- la face de la feuille de verre extérieure orientée vers la feuille de verre structurale extérieure supporte un réseau de fils chauffants et/ou une couche électroconductrice chauffante ; fils de cuivre, couche d’oxyde d’indium dopé à l’étain ITO (en anglais : « indium tin oxide »), reliés à une alimentation électrique par l’intermédiaire de collecteurs (en anglais « bus-bars ») ; ce positionnement de la fonction de chauffage procure le dégivrage de la surface du vitrage feuilleté en contact avec l’atmosphère extérieure, dans toutes les conditions d’utilisation, en minimisant la puissance électrique requise (proximité du givre) ;
- une face de la feuille structurale intérieure ou extérieure supporte un réseau de fils chauffants et/ou une couche électroconductrice chauffante tels que décrits ci-dessus ; ce positionnement de la fonction de chauffage procure le désembuage de la surface du vitrage feuilleté en contact avec l’atmosphère du cockpit de l’avion ;
- la face de la feuille de verre extérieure opposée à la feuille de verre structurale extérieure affleure à la structure de montage ; en d’autres termes, cette face est dans la continuité de la structure (carlingue de l’avion) ; une fonction essentielle de la feuille de verre extérieure est la performance aérodynamique de l’avion, et dans une moindre mesure la fonction d’aspect ;
- une couche adhésive intercalaire comprend un polyvinylbutyral (PVB), un polyuréthane (PU), un copolymère éthylène - acétate de vinyle (EVA) ou similaire ;
- le vitrage feuilleté est bombé (concavité vers l’intérieur du véhicule ou du bâtiment en position de montage) ;
- une feuille de renforcement est insérée entre les feuilles de verre structurales intérieure et extérieure, sur une partie au moins d’une zone périphérique du vitrage feuilleté ; il s’agit d’une bande de matériau de renforcement tel que métallique, composite à fibre (Kevlar® ou similaire), selon une partie significative de la zone périphérique du vitrage feuilleté ; cette feuille de renforcement est soumise à la contrainte locale appliquée par le presse-glace et qui risquerait de casser localement le verre structural extérieur en petits morceaux ; la feuille de renforcement évite le déchirement de la couche adhésive intercalaire au niveau de la limite de contact entre presse-glace et vitrage.
L’invention a d’autre part pour objet l’application d’un vitrage feuilleté tel que décrit ci-dessus dans l’aéronautique, en particulier comme vitrage d’avion commercial, régional ou d’affaire soumis aux exigences de tenue au choc à l’oiseau.
L’invention est maintenant illustrée par l’exemple de réalisation suivant.
Exemple
Un vitrage feuilleté de cockpit d’avion commercial pressurisé est constitué, de l’intérieur de l’avion vers l’extérieur :
- d’une feuille structurale intérieure de 10 mm d’épaisseur de PMMA étiré ;
- d’une feuille structurale extérieure de 8mm d’épaisseur de verre sodocalcique renforcé chimiquement à contrainte à rupture de 500MPa; et
- d’une feuille de verre sodocalcique extérieure de 3 mm d’épaisseur semitrempée (contrainte de surface de 50 MPa).
Les deux feuilles structurales sont collées par l’intermédiaire d’une couche adhésive intercalaire de PVB de 2 mm d’épaisseur.
La feuille de verre structurale extérieure et la feuille de verre extérieure sont collées par l’intermédiaire d’une couche adhésive intercalaire de PU de 10 mm d’épaisseur.
La face de la feuille de verre extérieure orientée vers la feuille de verre structurale extérieure porte une couche chauffante dégivrante d’ITO. C’est notamment le cas d’un vitrage antigivre frontal de cockpit d’avion. Comme précisé ci-dessus, dans le cas d’un vitrage désembuant, la fonction de chauffage peut être supportée par toute surface du bloc structural dans le feuilleté.
La face extérieure de la feuille de verre extérieure affleure à la carlingue de l’avion, environnement de montage du vitrage feuilleté.
Ce vitrage feuilleté présente une résistance améliorée au choc à l’oiseau.

Claims (17)

  1. REVENDICATIONS
    1. Vitrage feuilleté pour un véhicule ou un bâtiment, caractérisé en ce qu’il comprend une feuille de matériau polymère structurale intérieure et une feuille de verre structurale extérieure ayant une contrainte à rupture de 350 à 1000 MPa aux caractéristiques de sollicitation d’un choc oiseau.
  2. 2. Vitrage feuilleté selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille de matériau polymère structurale intérieure est en poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) étiré ou non étiré, en polyuréthane (PU) structural ou en polycarbonate (PC), d’épaisseur comprise entre 5 et 22 mm.
  3. 3. Vitrage feuilleté selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la feuille de verre structurale extérieure est en verre sodocalcique ou aluminosilicate, d’épaisseur comprise entre 3 et 20 mm.
  4. 4. Vitrage feuilleté selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la feuille de verre structurale extérieure est renforcée chimiquement.
  5. 5. Vitrage feuilleté selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les feuilles structurales intérieure et extérieure sont collées l’une à l’autre par l’intermédiaire d’une première couche adhésive intercalaire d’épaisseur comprise entre 0,5 et 5, de préférence entre 1,8 et 3,2 mm.
  6. 6. Vitrage feuilleté selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend, du côté de la feuille de verre structurale extérieure opposé à la feuille de matériau polymère structurale intérieure, une feuille de verre extérieure d’épaisseur comprise entre 0,5 et 5 mm.
  7. 7. Vitrage feuilleté selon la revendication 6, caractérisé en ce que la feuille de verre extérieure est de type sodocalcique ou aluminosilicate.
  8. 8. Vitrage feuilleté selon la revendication 6, caractérisé en ce que la feuille de verre extérieure est semi-trempée ou renforcée chimiquement.
  9. 9. Vitrage feuilleté selon la revendication 6, caractérisé en ce que la feuille de verre extérieure est collée à la feuille de verre structurale extérieure par l’intermédiaire d’une seconde couche adhésive intercalaire d’épaisseur comprise entre 2 et 12, de préférence 3 et 7 mm.
  10. 10. Vitrage feuilleté selon la revendication 6, caractérisé en ce que la face de la feuille de verre extérieure orientée vers la feuille de verre structurale extérieure supporte un réseau de fils chauffants et/ou une couche électroconductrice chauffante.
  11. 11. Vitrage feuilleté selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’une face de la feuille structurale intérieure ou extérieure supporte un réseau de fils chauffants et/ou une couche électroconductrice chauffante.
  12. 12. Vitrage feuilleté selon la revendication 6, caractérisé en ce que la face de la feuille de verre extérieure opposée à la feuille de verre structurale extérieure affleure à la structure de montage.
  13. 13. Vitrage feuilleté selon l’une des revendications 5 ou 9, caractérisé en ce qu’une couche adhésive intercalaire comprend un polyvinylbutyral, un polyuréthane, un copolymère éthylène - acétate de vinyle ou similaire.
  14. 14. Vitrage feuilleté selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est bombé.
  15. 15. Vitrage feuilleté selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’une feuille de renforcement est insérée entre les feuilles de verre structurales intérieure et extérieure, sur une partie au moins d’une zone périphérique du vitrage feuilleté.
  16. 16. Application d’un vitrage feuilleté selon l’une des revendications précédentes dans l’aéronautique.
  17. 17. Application d’un vitrage feuilleté selon la revendication 16 comme vitrage d’avion commercial, régional ou d’affaire soumis aux exigences de tenue au choc à l’oiseau.
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