FR3032969A1 - Panneau d’attenuation acoustique en materiau composite, comportant des reseaux de cavites - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication d'un panneau d'atténuation acoustique en matériau composite à matrice céramique, comprenant les étapes successives consistant à : - déposer dans un moule (16) une couche inférieure de renfort fibreux (2) pour former une peau inférieure, comprenant des fibres en matériau céramique ; - déposer par-dessus le renfort fibreux inférieur un ensemble de couches comprenant alternativement un matériau temporaire de remplissage fugitif, formant une grille (8) comportant des séries de protubérances (20), et un renfort fibreux intermédiaire (10) comprenant des fibres en matériau céramique ; - déposer une couche supérieure de renfort fibreux (4) pour former une peau supérieure, comprenant des fibres en matériau céramique ; - et à procéder au frittage pour obtenir une matrice en matériau composite qui imprègne les renforts fibreux de l'ensemble, à une température permettant l'élimination du matériau de remplissage fugitif.

Description

1 La présente invention concerne le domaine des panneaux d'atténuation acoustique, notamment destinés à équiper les zones chaudes d'éjection des gaz d'un turboréacteur d'aéronef. L'invention concerne plus spécifiquement un procédé de fabrication d'un panneau d'atténuation acoustique en matériau composite à matrice céramique, ainsi qu'un turboréacteur d'aéronef comportant un panneau d'atténuation acoustique selon l'invention. Les turboréacteurs comportent des surfaces de guidage aérodynamiques de l'écoulement des gaz chauds éjectés, qui peuvent être soumises à des températures élevées pouvant dépasser 600°C, et atteindre dans certains cas 1000°C.

Pour réduire les bruits émis par le turboréacteur en fonctionnement, il est connu de réaliser les surfaces de guidage aérodynamiques par des panneaux acoustiques comportant une structure du type sandwich composée d'un matériau d'âme encapsulé entre deux peaux. L'âme centrale comporte des parois transversales formant un grand 15 nombre de cellules fermées, qui peuvent présenter en particulier une forme en nid d'abeille. La peau avant tournée vers la source sonore, présente des passages de gaz formés par des micro-perforations, débouchant dans des cavités résonnantes formées par les cellules fermées de l'âme centrale, pour constituer des résonateurs de 20 Helmholtz réalisant une atténuation des émissions acoustiques émises par le turboréacteur. Il est connu de réaliser les peaux et l'âme alvéolaire dans des matériaux métalliques. Cependant dans le domaine aéronautique où le gain de masse est un souci constant, les panneaux acoustiques en matériaux métalliques ajoutent un poids 25 qui est pénalisant. Il est également connu de réaliser un panneau d'atténuation acoustique poreux, comprenant une âme centrale formée par une mousse poreuse formée à partir de matériaux composites à matrice céramique, ou matériaux « CMC ». Les matériaux CMC sont particulièrement résistants aux températures élevées, 30 notamment les températures supérieures à 600°C. De telles températures se rencontrent notamment au niveau du cône d'éjection des gaz chauds d'un turboréacteur. Ces matériaux permettant un gain de masse par rapport aux matériaux métalliques habituellement utilisés. 35 Toutefois les solutions connues pour réaliser ces panneaux ne sont pas idéales en ce qui concerne les performances ainsi que la simplicité de fabrication. 3032969 2 Or il existe un besoin de disposer d'une solution permettant de fabriquer de manière simple des panneaux d'atténuation acoustique en matériau composite à matrice céramique « CMC », comportant une structure poreuse adaptée à l'atténuation acoustique spécifique. 5 La présente invention visant notamment à pallier les inconvénients de l'art antérieur, se rapporte à cet effet à un procédé de fabrication d'un panneau d'atténuation acoustique en matériau composite à matrice céramique, comprenant les étapes successives consistant à : - déposer dans un moule une couche ou un ensemble de couches de 10 renfort fibreux pour former une peau inférieure, comprenant des fibres en matériau céramique ; - déposer par-dessus le renfort fibreux inférieur un ensemble de couches comprenant alternativement un matériau temporaire de remplissage fugitif, formant une grille comportant des séries de protubérances, et un renfort fibreux intermédiaire 15 comprenant des fibres en matériau céramique ; - déposer une couche ou un ensemble de couches de renfort fibreux pour former une peau supérieure, comprenant des fibres en matériau céramique ; - et à procéder au frittage pour obtenir une matrice en matériau composite céramique qui imprègne les renforts fibreux, à une température 20 permettant l'élimination du matériau de remplissage fugitif, et permettant la consolidation de la matrice avec l'ensemble des renforts fibreux. Un avantage de ce procédé de fabrication est qu'en adaptant les formes des protubérances des grilles, notamment en superposant les différentes grilles de manière à ce que les protubérances se touchent entre elles, on obtient en une seule 25 opération simple et économique, après la disparition du matériau de remplissage fugitif, des réseaux de cavités comprenant chacun une série de cavités reliées entre elles formées par les protubérances en contact les unes avec les autres. De plus en prévoyant des pointes traversant le renfort fibreux supérieur en matériau de remplissage fugitif, on obtient une porosité de la peau supérieure 30 formant des perforations reliant les cavités internes au milieu extérieur, qui assure l'atténuation acoustique. Le procédé de fabrication selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, le matériau de remplissage fugitif comporte des 35 pointes traversant le renfort fibreux supérieur. On réalise ainsi dans la même 3032969 3 opération de frittage la porosité de la peau supérieure ouvrant les cavités acoustiques sur le milieu extérieur. Avantageusement, le procédé utilise pour le matériau de remplissage fugitif un ou plusieurs matériaux choisis parmi les matières plastiques 5 thermoplastiques et les matières plastiques thermodurcissables. Ces matériaux sont économiques et simples à mettre en oeuvre. Avantageusement, les renforts fibreux et la matrice comportent des céramiques en oxydes métalliques. En particulier, les renforts fibreux ou le matériau formant la matrice, 10 peuvent comprendre au moins deux matériaux céramiques différents. On adapte ainsi les caractéristiques locales du matériau suivant les contraintes. Les grilles de matériau de remplissage fugitif peuvent comprendre dans un plan des tiges longitudinales et transversales, ainsi que des protubérances formant des inserts pénétrant dans les couches de renfort fibreux adjacentes.

Selon un mode de réalisation, les renforts fibreux déposés étant secs, le précurseur de la matrice céramique filtre ces renforts fibreux au moyen d'un vecteur sous forme liquide, le procédé comprenant une étape suivante de séchage en température du vecteur liquide avant l'étape de frittage, ou de polymérisation d'une résine dans le cas d'une résine précéramique, à une température inférieure au point de fusion du matériau de moulage temporaire. Avantageusement, chaque protubérance d'une grille de matériau de remplissage fugitif, est en contact avec plusieurs protubérances de la grille d'en face. En particulier, les distances entre l'axe de deux protubérances adjacentes d'une même grille sont comprises entre 100 et 4000 micromètres.

En particulier, les grilles peuvent être obtenues par tissage de fibres, par emboutissage de feuillards, par expansion ou par moulage en continue d'un film. Avantageusement, les grilles comportent dans leurs parties planes des tiges présentant une surface de section comprise entre 5 um2 et 250 000 um2. Avantageusement, la surface de section des tiges est comprise entre 20 30 µm2 et 100 urn2. Avantageusement, les protubérances présentent une surface de section transversale comprise entre 10 000 um2 et 16 000 000 um2, et une hauteur comprise entre 100 um et 4000 um. Avantageusement, les grilles comportent des protubérances disposées 35 sur ses deux faces.

3032969 4 L'invention concerne également un panneau d'atténuation acoustique obtenu par un procédé tel que défini ci-dessus. L'invention concerne en outre un ensemble propulsif d'aéronef (c'est-à-dire l'ensemble formé par un turboréacteur équipé d'une nacelle, cet ensemble 5 pouvant inclure le mât moteur), l'ensemble propulsif comportant un ou plusieurs panneaux d'atténuation acoustique obtenus par un procédé tel que défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : 10 - la figure 1 est une vue de l'ensemble des couches d'un panneau acoustique préparé avec un procédé selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une grille de ce panneau comportant des protubérances ; - les figures 3a et 3b sont des vues de la partie plane de grilles suivant 15 des variantes ; - la figure 4a et 4b sont des vues de côté de grilles suivant des variantes ; - la figure 5 présente trois grilles comprenant des protubérances différentes ; - la figure 6 est une vue de côté d'un empilage de deux types de grilles 20 comportant alternativement des protubérances arrondies et pointues ; - la figure 7 est une vue de côté d'un empilage de grilles comportant des protubérances arrondies ; et - la figure 8 est une vue en coupe suivant le plan de coupe VIII-VIII de cet empilage de grilles.

25 La figure 1 présente l'empilage des couches pour former un panneau acoustique, comportant en bas une épaisseur inférieure constituée d'au moins une couche de renfort fibreux étanche 2 déposée sur un moule 16, qui va former la peau inférieure du panneau, puis un zone d'épaisseur intermédiaire constituée d'un ensemble de couches formant une âme centrale 6, et enfin une zone d'épaisseur supérieure constituée de renfort fibreux 4 qui va former la peau supérieure. Les couches de renfort fibreux inférieures 2 et supérieure 4 comportent des fibres en matériau céramique. Le panneau acoustique présente une peau inférieure 2 qui est étanche aux ondes acoustiques, et une peau supérieure 4 qui est en contact avec le flux 35 aérodynamique pour atténuer les émissions acoustique. Cette peau supérieure 4 comprend un grand nombre de petites perforations débouchant d'une part sur la 3032969 5 surface aérodynamique et d'autre part dans des cavités d'atténuation acoustique de l'âme centrale 6. L'âme centrale 6 comporte une succession de grilles 8 comprenant des protubérances 22. Des couches de renforts fibreux 10 comprenant des fibres en 5 matériau céramique peuvent être disposées entre les grilles 8. En partant du bas les protubérances 22 de la première grille 8 sont tournées vers le haut, les protubérances des grilles suivantes sont tournées à la fois vers le bas et vers le haut, et les protubérances de la dernière grille sont tournées vers le bas. La dernière grille 12 comporte au-dessus de chaque protubérance des pointes 10 14 réalisées dans la même matière, présentant une longueur suffisante pour traverser entièrement la couche supérieure de renfort fibreux 4, et dépasser au-dessus. La figure 2 présente le principe général des grilles 8, comportant une partie plane 20 formée par des tiges longitudinales et transversales qui s'entrecroisent, comprenant un grand nombre de perforations laissant passer la 15 matrice entre les deux faces. Les tiges supportent des protubérances arrondies 22 tournées vers le haut, régulièrement espacées suivant un quadrillage. L'ensemble est réalisé dans un matériau de remplissage fugitif. Les tiges des parties planes 20 peuvent présenter en particulier des sections comprises entre 5 et 250 000 urn2. Avantageusement ces sections sont 20 comprises entre 10 et 100 um2. Avantageusement les protubérances 22 présentent une section de surface transversale comprise entre 10 000 urn2 et 16 000 000 um2, et une hauteur comprise entre 100 um et 4000 um. En particulier on peut prévoir des distances séparant des protubérances adjacentes 22 sur les grilles 8, comprises entre 100 et 25 4000 micromètres. En variante les grilles 8 peuvent être réalisées par différents procédés, en particulier par tissage de fibres, par emboutissage de feuillards, par expansion ou par moulage en continu d'un film. Les protubérances 22 forment des inserts pénétrant dans les couches 30 adjacentes de renfort fibreux 10. Avantageusement les renforts fibreux sont formés par un tissu comprenant des fils peu resserrés, ou par des fibres non-tissés peu denses, de manière à obtenir un ensemble assez lâche permettant la pénétration des protubérances 22. L'espacement des protubérances 22 est calculé pour obtenir 35 préférentiellement comme présenté figure 1, un positionnement en quinconce de ces 3032969 6 protubérances d'une grille à l'autre, chaque protubérance étant en appui sur, par exemple, quatre autres protubérances de la grille d'en face. Le procédé de fabrication du panneau comporte la dépose successive des couches sur le moule 16 qui donnera la forme globale du panneau fini.

5 On choisit le matériau de remplissage fugitif pour obtenir son élimination au moins partielle, et de préférence totale, lors de l'opération de frittage en température de la matrice en matériau céramique qui imprégnera les différentes fibres, notamment par oxydation de ce matériau, par combustion, par fusion ou par sublimation. Le cas échéant, le matériau fugitif devra en revanche résister à la 10 température de séchage et/ou de polymérisation. Le matériau fugitif pourra comporter un ou plusieurs matériaux choisis parmi les matières plastiques thermoplastiques (telles que du polyéthylène), les matières plastiques thermodurcissables (par exemple à base d'époxy), et les métaux à bas point de fusion (par exemple à base de plomb, d'étain ou d'aluminium).

15 Les figures 3a et 3b présentent en variante une partie plane 20 de grille 8 formée par un film de matériau de remplissage fugitif, comportant les perforations 24. En particulier les perforations 24 peuvent être polygonales comme présenté figure 3a, ou courbes comme présenté figure3b. La grille 8 peut être réalisée notamment par le moulage ou le 20 thermoformage du matériau de remplissage fugitif, formant en même temps la partie plane perforée 20 et les protubérances 22. La figure 4a présente une grille 8 comportant une série de protubérances 22 tournées vers le côté supérieur. On dispose en particulier ce type de grille comme première couche de l'ensemble de couches 6 formant l'âme centrale, au-dessus de la 25 couche inférieure de renfort fibreux 2 formant la peau inférieure. La figure 4b présente une grille 8 comportant une série de protubérances opposées 22, tournées des deux côtés et alignées entre elles. On dispose en particulier ce type de grille comme couche intermédiaire dans l'ensemble de couches 6.

30 La figure 5 présente en partant du haut une première grille 8 comportant du côté supérieur uniquement des protubérances arrondies 30. Elle présente ensuite une deuxième grille 8 comportant du côté supérieur une alternance de protubérances de deux genres différents, arrondi 30 et conique 32. Elle présente enfin une troisième grille 8 comportant du côté supérieur une alternance de protubérances de deux genres, arrondie 30 et conique 32, chacune de ces protubérances recevant du côté inférieur une protubérance opposée qui est du genre différent.

3032969 7 La figure 6 présente successivement en partant du bas une première grille 8 comprenant des protubérances arrondies 30 tournées vers le haut, une deuxième grille comportant des protubérances coniques opposées 32 tournées des deux côtés, une troisième grille comportant des protubérances arrondies opposées 30 5 tournées des deux côtés, et une quatrième grille comprenant des protubérances coniques 32 tournées vers le bas. Les espacements identiques des différentes protubérances sur toutes les grilles 8, sont calculés de manière à ce que les protubérances coniques 32 rentrent partiellement dans l'espace entre, par exemple, quatre protubérances arrondies 30 de 10 la grille en face, et sur environ la moitié de la hauteur de ces protubérances arrondies. De cette manière on obtient pour chaque protubérance plusieurs points de contact ou surfaces de contact avec celles de la grille en face. On notera que par déformation des matériaux on obtient de préférence des surfaces de contact, donnant des passages plus importants entre les cavités.

15 La figure 7 présente successivement en partant du bas une première grille 8 comprenant des protubérances arrondies 30 tournées vers le haut, une deuxième grille comprenant des protubérances arrondies opposées 30 tournées des deux côtés, et une troisième grille comprenant des protubérances arrondies 30 tournées vers le bas.

20 De la même manière chaque protubérance arrondie 30 rentre dans l'espace entre, par exemple, quatre protubérances arrondies de la grille en face sur environ la moitié de la hauteur, pour obtenir, en particulier, quatre points de contact 40 présentés figure 8 ou plusieurs surfaces de contact avec celles de la grille en face. On réalise après la dépose des couches successives de grilles 8, et de 25 couches de renfort fibreux intermédiaires en matériau céramique, non représentées, une filtration du précurseur de la matrice céramique 42 portée par un vecteur liquide, qui imprègne tous les renforts fibreux et remplit tous les espaces laissés libres entre les protubérances 30. On choisit en particulier un liquide compatible avec le matériau de remplissage fugitif, pour ne pas se mélanger avec ce matériau et le dissoudre.

30 On réalise ensuite si nécessaire un séchage du vecteur liquide pour laisser seulement le précurseur de la céramique 42, ou une polymérisation d'une résine dans le cas d'une résine précéramique, à une température inférieure à la température de fusion du matériau de remplissage fugitif. Comme mentionné plus haut, le matériau fugitif sera choisi pour résister à la température de séchage et/ou de polymérisation.

35 En variante on peut utiliser partiellement ou totalement des renforts fibreux pré-imprégnés du précurseur de la matrice céramique.

3032969 8 On peut aussi sur un même panneau combiner ces différents modes de réalisation pour adapter localement les caractéristiques. On réalise enfin un frittage du précurseur de la matrice céramique en température, et éventuellement en pression, pour obtenir une agrégation de 5 l'ensemble de la matrice qui englobe complètement les fibres céramiques des renforts fibreux, ainsi que la disparition au moins partielle et de préférence totale du matériau de remplissage fugitif qui laisse alors des vides à la place. Par les points de contact 40, ou le cas échéant des surfaces de contact, entre différentes protubérances 30, on obtient un passage entre les différentes 10 cavités laissées par ces protubérances, qui donne un réseau de cavités. On notera que les perforations des parties planes 20 des grilles 8, formées par les espaces entre les fils dans le cas d'un tissage, ou par des perçages sur un film, permettent un passage du précurseur céramique de la matrice, ce qui constitue un lien entre les deux parties de matrice se trouvant de chaque côté, et solidarise l'ensemble des couches entre elles.

15 Comme présenté figure 1, en prévoyant des pointes 14 en matériau de remplissage fugitif sur la dernière grille 8 en haut de l'ensemble des couches de l'âme centrale 6, et traversant la couche supérieure de renfort fibreux 4, les réseaux de cavités acoustiques débouchent alors sur la face supérieure du panneau par les petites perforations de la peau supérieure 4 laissées par ces pointes.

20 D'une manière générale les différentes fibres du panneau peuvent être longues ou courtes. Pour les fibres et la matrice on peut utiliser en particulier des oxydes métalliques. Les formes des réseaux de cavités et leurs espacements ainsi que la densité des renforts fibreux, sont adaptés pour répondre en particulier à chaque 25 endroit du panneau, latéralement et dans l'épaisseur, aux besoins d'atténuation acoustique locale et à la résistance mécanique recherchée. On peut en particulier faire varier le type de grille ainsi que la taille des protubérances, suivant l'épaisseur des couches et le positionnement dans le panneau.

Claims (17)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un panneau d'atténuation acoustique en matériau composite à matrice céramique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives consistant à : - déposer dans un moule (16) une couche inférieure de renfort fibreux (2) pour former une peau inférieure, comprenant des fibres en matériau céramique ; - déposer par-dessus le renfort fibreux inférieur un ensemble de couches comprenant alternativement un matériau temporaire de remplissage fugitif, formant 10 une grille (8) comportant des séries de protubérances (20), et un renfort fibreux intermédiaire (10) comprenant des fibres en matériau céramique ; - déposer une couche supérieure de renfort fibreux (4) pour former une peau supérieure, comprenant des fibres en matériau céramique ; - et à procéder au frittage pour obtenir une matrice en matériau 15 composite (42) qui imprègne les renforts fibreux de l'ensemble, à une température permettant l'élimination du matériau de remplissage fugitif, et permettant la consolidation de la matrice avec l'ensemble des renforts fibreux.
2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 le matériau de remplissage fugitif comporte des pointes (14) traversant le renfort fibreux supérieur (4).
3. 3. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il utilise pour le matériau de remplissage fugitif un 25 ou plusieurs matériaux choisis parmi les matières plastiques thermoplastiques et les matières plastiques thermodurcissables.
4. 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les renforts fibreux (2, 4, 10) et la matrice 30 comportent des céramiques en oxydes métalliques.
5. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les renforts fibreux ou le matériau formant la matrice, comprennent au moins deux matériaux céramiques différents. 35
6. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grilles (8) de matériau de remplissage fugitif 3032969 comprennent dans un plan (20) des tiges longitudinales et transversales, ainsi que des protubérances (22) formant des inserts pénétrant dans les couches de renfort fibreux adjacentes (10). 5
7. 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les renforts fibreux (2, 4) déposés étant secs, le précurseur de la matrice filtre ces renforts fibreux au moyen d'un vecteur sous forme liquide, le procédé comprenant une étape suivante de séchage en température du vecteur liquide avant l'étape de frittage, ou de polymérisation d'une résine dans le cas 10 d'une résine précéramique, à une température inférieure au point de fusion du matériau de moulage temporaire.
8. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les renforts fibreux (2, 4, 6, 8) déposés sont pré-15 imprégnés du précurseur de la matrice céramique.
9. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque protubérance (22) d'une grille (8) de matériau de remplissage fugitif, est en contact avec plusieurs protubérances de la 20 grille d'en face.
10. 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les distances séparant l'axe de deux protubérances adjacentes (22) d'une grille (8) sont comprises entre 100 et 4000 micromètres. 25
11. 11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grilles (8) sont obtenues par tissage de fibres, par emboutissage de feuillards, par expansion ou par moulage en continue d'un film. 30
12. 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce que les grilles (8) comportent dans leurs parties planes (20) des tiges présentant une surface de section comprise entre 5 gm2 et 250 000 pm2.
13. 13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce 35 que la surface de section des tiges est comprise entre 20 pm2 et 100 pm2. 3032969 11
14. 14. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les protubérances présentent une surface de section transversale comprise entre 10 000 pm2 et 16 000 000 gm2, et une hauteur comprise entre 100 gm et 4000 gm. 5
15. 15. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grilles (8) comportent des protubérances (22) disposées sur leurs deux faces. 10
16. 16. Panneau d'atténuation acoustique obtenu par un procédé conforme à l'une des revendications précédentes.
17. 17. Ensemble propulsif d'aéronef comportant au moins un panneau d'atténuation acoustique selon la revendication précédente.