Procédé de fabrication par retrait thermique de pièces tubulaires tissées, Formées au moins en partie de fibres de carbone

Description

[0001] L'invention concerne un procédé permettant de fabriquer par retrait thermique des pièces tubulaires tissées, composées au moins en partie de fibres de carbone.

[0002] Le document JP-A-59 69410 ainsi que Le brevet US-A-3 856 593 enseignent La réalisation de pièces épaisses de formes diverses, comprenant une armature formée d'un empilement de plusieurs couches de tissus, éventuellement cousues. Le tissu est formé de fibres de carbone, et ses interstices sont ensuite remplis de carbone par différents procédés, pour former des composites carbone-carbone.

[0003] Par ailleurs, L'articLe de D. ROBBINS intitulé "A Retrospect of Carbon Fibre Composites" et publié dans La revue "TextiLe Institute and Industry", vol. 14, n°12, déc. 1976, pages 376-379, décrit La fabrication de tissus de fibres de carbone à partir de fibres de cellulose, de bitume ou de polyacrylonitrile (PAN), ces matériaux constituant des "précurseurs" du carbone, disponibles sous forme de fibres. Pour fabriquer un tissu de carbone, des fibres d'un précurseur du carbone peuvent d'abord être tissées. Le précurseur est ensuite transformé en carbone par chauffage du tissu. Au cours de cette opération, il est indiqué que Le retrait des fibres doit être empêché, afin notamment que L'orientation moléculaire à L'intérieur des fibres soit satisfaisante.

[0004] Ainsi, L'effet de retrait qui accompagne La transformation en carbone de fibres de matériaux précurseurs est considéré depuis de nombreuses années comme un inconvénient, Lorsque cette transformation est effectuée après tissage des fibres. C'est probablement pour cette raison que Les armatures utilisées dans La réalisation de pièces épaisses sont toujours réalisées directement à partir de tissus de fibres de carbone.

[0005] Conformément à L'invention, et contrairement au préjugé selon LequeL Le retrait des fibres qui se produit Lors de La transformation en carbone constitue un inconvénient Lorsque ces fibres sont tissées, il est proposé d'utiliser cet effet de retrait pour fabriquer des pièces tubulaires tissées présentant une densité de fibres plus importante et, Le cas échéant, pour donner à ces pièces des profils et/ou des dimensions variés.

[0006] A cet effet, il est proposé un procédé de fabrication d'une pièce tubulaire tissée, formée au moins en partie de fibres de carbone, caractérisé en ce qu'il consiste à fabriquer en un seul tissage un tissu tubulaire avec des fibres dont au moins certaines sont carbonisables, puis à chauffer ce tissu à une température au moins égale à La température de carbonisation des fibres carbonisables, de façon,à obtenir un retrait de ces fibres carbonisables, s'accompagnant d'un accroissement de La densité de fibres dans Le tissu.

[0007] L'expression "fibres carbonisables" désigne ici toute fibre formée d'un matériau apte à se transformer en carbone sous L'effet d'un chauffage. Ce matériau peut notamment être un matériau préoxydé. PLus précisément, on citera Les fibres cellulosiques et phénoliques, ainsi que Les fibres de poLyacryLonitriLe (PAN) ou équivalents.

[0008] Dans un mode de réalisation particulier de L'invention, on place Le tissu tubulaire sur une pièce de forme avant de procéder au chauffage. ainsi, on peut donner au tissu une forme particulière, dans La Limite du retrait maximum des fibres Lors de Leur transformation en carbone. (Ce retrait est d'environ 24% dans Les trois directions pour un tissu formé uniquement. de fibres carbonisables). La pièce de forme, en Limitant Le retrait des fibres, provoque une mise en tension de celles-ci, ce qui conduit par ailleurs à une amélioration de La tenue mécanique de La pièce obtenue et à une réoganisation de L'arrangement des fibres.

[0009] Dans Le cas particulier de La fabrication d'une pièce tubulaire épaisse, on fabrique un tissu tubulaire tridimensionnel à partir de fils de trame formant plusieurs couches orientées généralement selon une direction circonférentielle et de fils de chaîne traversant alternativement toutes Les couches de fils de trame et s'étendant d'une extrémité à L'autre de La pièce, au moins Les fils de trame étant formés de fibres carbonisables.

[0010] Différents exemples mettant en oeuvre Les principes de L'invention vont maintenant être décrits.

[0011] Dans un premier exemple de mise en oeuvre de L'invention, on réalise en un seul tissage un tissu tubulaire formé de fibres de PAN orientées selon au moins deux directions différentes. On installe ensuite ce tissu sur une pièce de forme, en matériau réfractaire dont La forme et Les dimensions extérieures correspondent à La forme et aux dimensions intérieures de La pièce à réaliser.

[0012] Une montée en température à une température comprise entre 800°C et 1800°C conduit à La transformation des fibres de PAN en fibres de carbone. Au cours du chauffage, Les fibres se rétractent jusqu'à ce que Les dimensions et La forme définies par La pièce de forme soient atteintes. Ce retrait s'accompagne d'une forte augmentation de La densité des fibres. De plus, La fin du retrait étant entravée par La pièce de forme, une réorganisation de L'orientation des fibres, ainsi qu'une amélioration de Leur tenue mécanique sont aussi obtenues.

[0013] Dans un deuxième exemple proche du précédent, on place sur La pièce de forme un tissu tridimensionnel tubulaire, réalisé sans couture en un seul tissage. Un tel tissu peut notamment être formé de fils de trame formant plusieurs couches orientées généralement selon une direction circonférentielle et de fils de chaîne traversant alternativement dans L'un et L'autre sens toutes Les couches de fils de trame et s'étendant d'une extrémité à L'autre de La pièce. Les fils de trame sont réalisés en fibres de PAN. Les fils de chaîne peuvent être également en fibres de PAN si un retrait dans Les trois directions orthogonales est souhaité. ILs peuvent aussi être réalisés en un matériau réfractaire teL que graphite, silice, céramique, etc..

[0014] Un chauffage du montage entre 800°C et 1800°C conduit ici encore aux effets énoncés précédemment. Cette technique peut notamment être utilisée pour fabriquer des éléments de fusées, des ceintures de pneumatiques, des soufflets de protection, des éléments de filtres, des renforts de pistons et cylindres pour moteurs d'automobiles, etc.

[0015] En variante, Lorsque L'épaisseur de La pièce tubulaire à réaliser est supérieure à celle du tissu tridimensionnel tubulaire, on superpose plusieurs tissus de ce type sur une même pièce de forme. Un dispositif réfractaire complémentaire tel que des faisceaux de fils de graphite, bore, etc. peut alors être inséré entre deux tissus tubulaires. Le maintien de ce dispositif avant La montée en température est assuré par exemple au moyen d'un tissu alvéolé ou multitubulaire conçu pour disparaître Lors du chauffage. Ce tissu peut notamment être un tissu de coton à faible taux de cendres.

[0016] De façon générale, on voit que Le retrait des fibres qui accompagne Leur transformation en fibres de carbone permet d'obtenir des pièces tubulaires tissées présentant une densité de fibres très accrue. De plus, ce retrait permet La mise en forme et/ou à dimension des pièces, grâce à l'utilisation d'éléments ou pièces de forme, en matériaux réfractaires (graphite, porcelaine, etc.) ou en matériaux destructibles (technique de fonderie).

Revendications

1. Procédé de fabrication d'une pièce tubulaire tissée, formée au moins en partie de fibres de carbone, caractérisé en ce qu'il consiste à fabriquer en un seul tissage un tissu tubulaire avec des fibres dont au moins certaines sont carbonisables, puis à chauffer ce tissu à une température au moins égale à La température de carbonisation des fibres carbonisables, de façon à obtenir un retrait de ces fibres carbonisables, s'accompagnant d'un accroissement de la densité de fibres dans le tissu.

2. Procédé selon La revendication 1, caractérisé en ce que, avant de chauffer le tissu, on place ce dernier sur au moins une pièce de forme.

3. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, adapté à La fabrication d'une pièce tubulaire épaisse, caractérisé en ce qu'on fabrique un tissu tubulaire tridimensionnet à partir de fils de trame formant plusieurs couches orientées généralement selon une direction circonférentielle et de fils de chaîne traversant alternativement toutes Les couches de fils de trame et s'étendant d'une extrémité à L'autre de La pièce,, au moins Les fils de trame étant formés de fibres carbonisables.

4. Procédé selon La revendication 3, caractérisé en ce que, avant de chauffer, on superpose plusieurs tissus tubulaires tridimensionnels, en insérant entre deux tissus adjacents un dispositif réfractaire complémentaire.

5. Procédé selon L'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que Les fils carbonisables sont des fils préoxydés choisis parmi Les fibres cellulosiques, Les fibres phénoliques et les fibres de polyacrylonitrile.