Brevet FR2434964A1 — publié le 19800328

La présente invention concerne le domaine des matériaux au carbone composés et, plus précisément, des procédés de fabrication des pièces de friction à base de carbone. L'invention peut etre appliquée, par exemple, à la fabrication des freins d'avion. On connait un procédé d'obtention de pièces de friction à base de carbone par pose de couches de tissu au carbone servant d'armature, l'imprégnation de cette armature par un liant et son traitement thermique jusqu'à l'obtention d'une ébauche qui subit ensuite un usinage mécanique en vue d'obtenir une piece requise. Cette pièce est saturée de pyrocarbone et soumise à un traitement thermique à la température de graphitisation. La mise en place de l'armature de renforcement, selon le procédé décrit, s'effectue, par exemple, en posant des couches du tissu au carbone qui sont ensuite imprégnées, d'un liant organique. Les ébauches obtenues par ce procédé sont des couches de tissu reliées par une pellicule de liant organique d'épaisseur irrégulière. I1 se forme aux endroits de contact des particules fibreuses des pellicules minces de résine, tandis que dans les vides entre les fibres apparaissent de grands volumes de liant. Il en ré sulte un retrait irrégulier des ébauches en cours de cuisson, la formation de grands pores, de fissures, de cavités et, parfois, l'exfoliation de la pièce. En outre, les propriétés physico-chimiques du liant se trouvant aux endroits de contact des particules fibreuses et dans les cavités entre fibres sont aussi très hétérogènes. La solidité du liant est plus élevée aux endroits de contact et minimale dans les cavités entre fibres. il s'ensuit que les pièces de friction au carbone obtenues, selon le procédé précité, ont un grand nombre de défauts internes (fissures, cavités et autres) et une structure hétérogène. Cette dernière exerce une influence négative surtout sur la stabilité des paramètres de friction. Les tentatives d'éliminer les inconvénients liés à l'utilisation du liant organique ont abouti a la mise au point d'un procédé d'obtention de pièces de friction avec précipitation pyrolytique du liant à partir de la phase gazeuse. La particularité des matériaux au carbone obtenus par un tel procédé réside dans leur faible degré de renforcement. La te neur volumétrique en fibres ne dépasse pas 20 à 40 % par rapport au volume total de la matière, étant donné que la densité initiale du paquet de tissu est sensiblement basse. I1 en résulte que la matière obtenue est formée par des couches de pyrocarbone renforcées alternées avec des couches de pyrocarbone non renforcées. Les propriétés thermiques ainsi que les caractéristiques de frottement du pyrocarbone renforcé et non renforcé sont différentes et, par conséquent, les variations des paramètres de friction et l'abaissement de la stabilité de ces paramètres des éléments de friction fabriqués en une telle matière sont possibles au cours de leur usure. il est bien connu que les compositions les plus homogènes en ce qui concerne les propriétés de friction, fabriquées par un procédé connu, sont obtenues lors de l'utilisation d'une armature de renforcement en fibres au carbone discontinues non orientées. Les caractéristiques de friction de la matière obtenue par un tel procédé sont suffisamment stables. L'inconvénient de la matière de friction obtenue par ce procédé connu réside dans sa faible résistance à la fissuration dans les conditions de charges dynamiques et statiques élevées. L'invention vise à mettre au point un procédé d'obtention de pièces de friction au carbone dans lequel la pose de l'armature de renforcement assurerait l'obtention de pièces avec des caractéristiques de friction élevées tout en excluant leur exfoliation. Elle a donc pour objet un procédé d'obtention de pièces de friction au carbone, comprenant la mise en place d'une armature de renforcement, son imprégnation par un liant et son traitement thermique ayant pour résultat la formation d'une ébauche qui subit un usinage mécanique pour l'obtention d'une pièce requise, une saturation ultérieure de la pièce par du pyrocarbone et son traitement thermique à une température de graphitisation, procédé caractérisé en ce qu'on obtient une armature de renforcement par assemblage d'un paquet de couches en fibres au carbone enchevêtrées s'alternant avec des couches en fibres élémentaires discontinues graphitisées qui sont orientées de façon à assurer leur pénétration partielle dans les couches de fibres enchevêtrées. Ce procédé d'obtention d'une pièce au carbone assure l'augmentation de la stabilité des caractéristiques de friction de la pièce par suite de l'élimination de l'hétérogénéité des couches de la matière provoquée par la présence dans cette dernière de pellicules de liant non renforcé, relativement épaisses. Selon le procédé décrit, on introduit dans la couche de liant des fibres élémentaires graphitisées qui, lors de la pose de l'armature de renforcement, sont orientées de façon à assurer leur pénétration partielle dans les couches de fibres enchevê- trées. L'introduction de fibres élémentaires discontinues graphitisées dans la couche du liant réduit la possibilité de formation de cavités considérables entre fibres provoquant la formation des gros pores de cavités et l'exfoliation de l'ébauche en cours de cuisson. La pénétration partielle des fibres discontinues au carbone dans la couche de fibres enchevêtrées interdit aussi l'exfo- liation des pièces lors de leur utilisation. En cas de précipitation pyrolytique du liant à partir de la phase gazeuse, la mise en oeuvre du procédé proposé permet d'exclure la présence dans la pièce finie d'une épaisse couche du pyrocarbone non renforcé, ce qui améliore la stabilité des paramètres de friction de la pièce. Encore un des avantages du procédé proposé réside dans le fait que sur les surfaces de frottement d'un couple de friction, fabriqué selon le procédé proposé, participent au travail le plus souvent deux genres de matière de remplissage de renforcement ayant différents nodules d'élasticité, ce qui assure un plus haut coefficient de frottement, étant donné que des composants à haut module sont capables de pénétrer à une grande profondeur dans une matrice de faible module. Le coefficient de frottement de la composition de friction au carbone est fonction, dans une grande mesure, de l'orientation des fibres par rapport à la surface de frottement. La valeur maximale du coefficient de frottement est obtenue, de façon générale, lors de la disposition des fibres perpendiculairement å la surface de frottement. Lors de la pénétration des fibres, selon le procédé en question, elles sont partiellement orientées perpendiculairement A la surface de frottement, ce qui contribue aussi à l'augmentation des valeurs du coefficient de frottement, y compris le frottement statique. Le fait très important est qu'avec un tel procédé d'augmentation du coefficient de frottement l'usure des élé ments de friction ne croît pratiquement pas. I1 est avantageux d' assembler le paquet de 1' armature de renforcement par la succion successive d'une suspension aqueuse contenant des fibres élémentaires discontinues à travers chaque couche de fibres au carbone enchevêtrées. Dans ce cas, on assure une orientation partielle des fibres au carbone discontinues permettant leur pénétration dans les couches de fibres enchevêtrées. I1 est possible d'effectuer l'assemblage du paquet de l'armature de renforcement par succion au moyen d'un flux d'air, des fibres élémentaires discontinues au carbone, successivement à travers chaque couche de fibres au carbone enchevêtrées, ce qui permet de réduire considérablement le temps d'assemblage de la chaîne de renforcement, grâce à l'exclusion de l'opération du séchage. Le trait caractéristique de tous les articles obtenus selon le procédé proposé consiste en leurs paramètres de friction élevés. La stabilité du coefficient de frottement des éléments de friction de freinage des avions, fabriqués selon ce procédé, même dans les conditions de régime statique des moteurs est approximativement égale & 90 % de celle qui peut être atteinte dans les conditions d'atterrissage normal.Lors d'un atterrissage normal les valeurs types du coefficient de frottement pour des compositions à base d'une rayonne de viscose et de fibres élémentaires de polyacrylonitrile discontinues sont comprises entre 0,38 et 0,40, tandis que pour des compositions A base des fibres de polyacrylonitrile et des fibres discontinues en même matière première, le coefficient de frottement est un peu plus faible et compris entre 0,30 et 0,35. D'autres buts et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre des exemples de réalisation suivants. EXEMPLE 1 Les pièces de friction sont confectionnés en rayonne de viscose graphitisée à armure satin à huit harnais avec du brai comme liant. On prépare l'armature de renforcement en assemblant le paquet à partir de couches alternées de rayonne de viscose graphitisée et de couches de fibres élémentaires discontinues graphitisées. Les fibres élémentaires discontinues graphitisées longues de 0,1 à 5,0 mm sont confectionnées dans un filtre à vide avec un malaxage intense à l'aide d'un agitateur à hélice, de fils graphitisés à base du polyacrylonitrile, coupés. Ensuite, on procède à l'assemblage du paquet par un procédé de succion, à l'aide d'une pompe à vide, â travers les couches de tissu de la suspension aqueuse contenant les particules de fibres et de brai. Le rapport des constituants sous forme de pourcentage en poids est le suivant : tissu au carbone : 15, fibres élémentaires discontinues graphitisées : 25, brai de goudron dont la température de ramollissement est de 65 OC : le reste. On obtient après pressage et traitement thermique du paquet une ébauche qui subit une cuisson à une température allant jus- qu'a' 1 200 OC à une vitesse moyenne d'élévation de température de 200 par heure, une nouvelle imprégnation de brai et la cuisson. Pour obtenir des pièces de-friction, les ébauches sont soumises à un usinage mécanique, à une saturation au pyrocarbone à- une température comprise entre 950 et 980 OC pendant 90 heures et à un traitement thermique à une température de 2 000 OC. Les pièces de friction au carbone obtenues sont bonnes à l'utilisation en tant qu'éléments de friction pour roues d'avion. La densité du matériau est 3 de 1,65 g/cm EXEMPLE 2 Les pièces de-friction sont fabriquées en fibres de polyacrylonitrile carbonisé qui sont placées de façon à disposer des fils isolés dans le sens de l'application des efforts maximaux dans un disque de frein. Par exemple, on utilise un enroulement en spirale avec armure radiale. Ensuite, on prépare une armature de renforcement en assemblant le paquet composé de couches de fils de polyacrylonitrile enchevetrés alternées avec des couches de fibres élémentaires graphitisées. Les fibres élémentaires discontinues graphitisées sont fabriquées de la façon décrite dans l'exemple 1 et séchées jusqu' obtenir un poids constant. Ensuite, on assemble le paquet par un procédé à sec, par succion à l'aide d'un flux d'air créé par une pompe à haute pression, des fibres élémentaires discontinues à travers les couches de fibres au carbone enchevêtrées. Le paquet est immobilisé dans un serre-joint et saturé de pyrocarbone jusqu'à obtenir une densité de 1,6 g/cm3. L'ébauche est soumise à un traitement thermique à une température de 2 0000C et à un usinage mécanique en vue d'enlever la couche superficielle. Ensuite, elle est de nouveau saturée de pyrocarbone jusqu'à une 3 densité de 1,7 g/cm . En recourant aux traitements thermiques répé- tés et à l'imprégnation au pyrocarbone on peut porter la densité 3 de ces disques jusqu'à 1,75 à 1,80 g/cm3. I1 est le plus avantageux d'utiliser les pièces de friction obtenues par ce procédé en tant que disques de friction pour les roues très chargées d'avions. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'obtention d'une pièce de friction au carbone comprenant la mise en place d'une armature de renforcement, son imprégnation d'un liant et son traitement thermique ayant pour résultat la formation d'une ébauche qui subit un usinage mécanique pour l'obtention d'une pièce requise, une saturation ultérieure de la pièce avec du pyrocarbone et son traitement thermique à une température de graphitisation, caractérisé en ce que l'on obtient l'armature de renforcement par assemblage d'un paquet de couches en fibres au carbone enchevêtrées alternées avec des couches en fibres élémentaires discontinues graphitisées qui sont orientées, de fa çon à assurer leur pénétration partielle dans les couches de fibres enchevêtrées. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage du paquet est réalisé par succion par l'eau d'une suspension contenant des fibres élémentaires discontinues, successivement à travers chaque couche de fibres au carbone enchevêtrées. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage du paquet est effectué par succion, réalisée à l'aide d'un flux d'air, des fibres élémentaires discontinues successivement à travers chaque couche de fibres au carbone enchevêtrées.