Brevet FR2508999A1 — publié le 19830107

La présente invention est relative à des disques de frein et, en par- ticulier, à des disques de frein d'avion en matériau composite carbone- carbone comprenant un substrat de fibres de carbone ou de graphite noyées dans une matrice de carbone, ainsi que des modes de réalisation. Il est connu que les matériaux composites carbone-carbone sont en général obtenus en préparant un substrat de fibres de carbone ou de gra- phite, que l'on soumet à un traitement de densification carbonée. Il est également connu que l'on peut réaliser le substrat soit avec des fibres longues organisées de différentes manières (tissages bi ou tridimensionnels, aiguilletage, etc), soit avec des fibres relativement courtes dont l'orientation comporte un caractère partiellement ou totale- ment aléatoire. La présente invention ne concerne que des matériaux composites réa- lisés à partir de fibres courtes, c'est-à-dire par exemple dont la lon- gueur est comprise entre 0,01 et 6 cm. Pour réaliser une pièce ayant la forme d'un disque de frein, il est connu que l'on peut disposer les fibres courtes soit aléatoirement par rapport au volume ou aux plans de frottement du disque, soit de manière axisymétrique par rapport à l'axe du disque. La présente invention ne concerne pas les disques de frein à fibres axisymétriques. Par ailleurs, on sait que trois qualités sont importantes pour un disque de frein: bonne résistance au couple de freinage, bonne résistance au frottement, faible coefficient de dilatation dans l'épaisseur. Les disques de frein à fibres courtes non aiguilletées, non axisy- métriques connus, présentent essentiellement la première qualité (en ce sens que les fibres sont préférentiellement dans des plans presque paral- lèles aux plans de frottement et aléatoirement orientées dans ces plans. La longueur des fibres utilisées dans ce cas est généralement supérieure à l'épaisseur du Jisque). Le but principal de l'invention est d'obtenir des disques de frein en matériau composite carbone-carbone possédant à la fois l Ls Trois qua- lités précitées. Ce but est atteint selon l'invention qui consiste en un disque de frein en composite carbone-carbone comprenant un substrat en fibres cour- tes de carbone, ou de graphite noyéts dans une matri:ce carbone,caracté- ris; en ce le substrat est constitue D'un réiage de fibres d? -u-: a.I _:"s De e > Riv difr 9 ret 9 -t t È:irg U S a t-a orientées et 'U,):rtúts ait atirner,nt da -s deà pi 2 N t: près paralil es aux faces de ficttc tnt du disque, les rlus cb étes étant orintées et ré- parties aléatoirement dans le volume du disque. Les figures I et 2 illustrent la disposition des fibres dar S un disque selon l'invention. La figure 1 est une vue de face du disque t comportant des fibres très courtes 2 et des fibres plus longues 3. La figure 2 représente le disque en coupe. Par rapport aux disques connus, les disques suivant l'invention présentent, grâce à la présence et à la disposition des fibres très courtes, les avantages suivants: une amélioration de la résistance au frottement, une diminution du coefficient de dilatation dans '&isseur Les fibres les plus longues assurent une ':sis ace suffisante au couple de freinage. La longueur des fibres les plus longues est avantageusement compri- se entre 4 et 6 cm, et celle des fibres les plus courtes entre 0,015 et 0,3 cm. Les fibres de carbone ou de graphite utilisées peuvent provenir de différents précurseurs tels que le brai et le polyacrylor itrile. Les fibres de graphite provenant du brai ont l'avantage d'être consti- tuées d'une qualité de graphite très apte au frottement, bon marché et très bon conducteur de la chaleur. Les disques selon l'invention peuvent a:-or un diamètre extérieur compris entre 150 mm et 500 mm et une épaisseur comprise entre 10 et mm, et peuvent atre obtenus selon des modes de réalisation qui font également partie de l'invention. Un premier mode de réalisation consiste: à placer dans un moule ayant approximativement la forme et les dimen- sions du disque à obtenir et contenant un liquide, un mélange intime de fibres courtes de deux gammes de longueur très différentes, en carbone ou en graphite, à soumettre le moule à des vibrations par ultrasons, à éliminer le liquide, et, enfin, à effectuer une densification er carbone du substrat sui- vie d'un dernier traitement hermi'u a une température inférieure ou égale a 1800 '. Les fibres euvgnrt pn'o: r e recurée r rrel oa pc Iyacrylonitrile pair t M 2d ez. Lc mélange intime peut ét*re obtenu soit par brassage d'une solution liquide (eau et agent mouillant, par exemple), dans laquelle on introduit les quantités voulues de fibres des 2 gammes de longueur, soit dans un lit fluidisé; dans ce cas, les fibres sont mises en mou- vement par brassage d'air à l'intérieur d'un récipient dé grande di- mension. Le mélange intime de fibres obtenu selon une de ces méthodes par exemple, est placé dans le moule disposé à plat et contenant une quanti- té suffisante de liquide pour qu'après introduction des fibres (sèches ou préalablement mouillées selon la méthode de mélange), le liquide mon- te jusqu'au sommet du moule. Celui-ci est alors soumis à des vibrations par ultrasons qui per- mettent respectivement aux fibres les plus longues et aux fibres les plus courtes de prendre l'orientation souhaitée pour chaque gamme et décrite plus haut. Selon la densité finale du substrat fibreux que l'on désire obte- nir, l'opération de vibration par ultrasons en phase liquide peut s'ef- fectuer parallèlement à l'application d'une pression mécanique sur les fibres, agissant perpendiculairement au fond du moule par exemple au moyen d'une t 3 le percée de petits trous pour laisser passer le liquide. Après l'opération de vibration par ultrasons éventuellement accom- pagnée d'une compression, on élimine le liquide du substrat (par exemple par chauffage si le liquide est de l'eau) et l'on procède à la densifi- cation en carbone. Pour ce faire, on peut procéder soit à un dépôt chimique de carbone en phase vapeur au cours duquel un gaz contenant un hydrocarbure (méthane par exemple) circule à l'intérieur du substrat préalablement porté à 10000 C environ L'hy- drocarbure subit un craquage au contact des fibres permettant la for- mation de gaines de pyrocarbone autour des fibres, soit à une imprégnation du substrat par des hydrocarbures liquides (brai) ou une résine et à une carbonisation en atmosphère neutre, ces deux opérations étant éventuellement répétées plusieurs fois La ma- trice de carbone obtenue est alors un coke, soit à une association des deux méthodes précédentes. Le procédé préférentiellement employé est le dépôt chimique de car- bone en phase vapeur comportant vers la fin de la densification le re- cours à une imprégnation par voie liquide suivie d'une carbonisation, puis d'un nouveau dépôt chimique de carbone en phase vapeur. Le traitement thermique final du disque est de préférence limité à 16000 C (ou 18000 C au maximum) pour conserver à la matrice la plus grande dureté possible. Un autre mode de réalisation est une variante du précédent. Les différentes opérations sont pratiquement les mêmes à l'excep- tion du traitement aux vibrations ultrasonores en phase liquide pour la mise en place des fibres Celui-ci est remplacé par un procédé d'as- piration: la surface d'aspiration est une des parois planes du moule, c'est-à-dire une des faces de frottement du disque futur Bien entendu, dans ce cas, le moule comporte une paroi suffisamment étanche pour re- tenir les fibres et suffisamment perméable pour laisser passer l'air d'aspiration. R E 'V E N D I (: A T 1 O N S. 1) Disque de frein en composite carbone-carbone comprenant un substrat en fibres courtes de carbone ou de graphite noyées dans une matrice en carbone, caractérisé en ce que le substrat est constitué d'un mé- lange de fibres de 2 gammes de longueurs très différentes, les plus longues étant orientées et réparties aléatoirement dans des plans à peu près parallèles aux faces de frottement du disque, les plus cour- tes étant orientées et réparties aléatoirement dans le volume du dis- que. 2) Disque de frein suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur des fibres les plus longues est avantageusement comprise entre 4 et 6 cm, et celle des fibres les plus courtes entre 0,015 et 0,3 cm. 3) Disque de 'rein suivant la revendication I ou la revendication 2, caractérise en ce que les fibres de carbone ou de graphite provien- nent d'un précurseur brai. 4) Disque de frein suivant la revendication I ou la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres de carbone ou de graphite provien- nent d'un précurseur polyacrylonitrile. 5) Procédé de fabrication de disque de frein tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'cn place dans un moule ayant approximativement la forme et les dimensions du disque à obtenir et contenant un liquide, un mé- lange intime de fibres courtes de 2 gammes de longueur très diffé- rentes, e-n carbone ou en graphite, que l'on soumet le moule à des vibrations par ultrasons, que l'on élimine le liquide et que l'on procède enfin à la densification en carbone du substrat obtenu et à un dernier traitement thermique à une température inférieure ou égale à 1800 C. 6) Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que simultanément à l'application des vibrations par ultrasons, an exerce une compression mécanique sur les fibres perpendiculairement aux faces de frottement du disque. 7) Procédé de fabrication de disque de frein tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que l'on place dans un moule ayant la forme d'un disque et possedane une paroi plane suffisa Pmunt perméable à l'air et étanche aux fi- bres, u:: nlance in:tme d fi'res c-Jrtts de 2 garnm,:s de i -I';u tr S, ftcrente, t*n cdbcne suc grcin te, qu 'on -,rocede à une aspir La:: N par la paroi plane us-entionnée, et que i'on procède enfin à un: densification en carbone du substrat obtenu et à un der- nier traitement thermique a une température inférieure ou égale à 1800 C. 8) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la densification du substrat est réalisée par ddp St chimique de carbone en phase vapeur. 9) Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que la densification comprend en plus au moins un cycle imprégnation/ car Donisation d'un brai ou d'unc résine.