Brevet FR2587992A1 — publié le 19870403

Matériau composite carbone-carbone pour pièces de friction, et son application aux dispositifs de freinage La présente invention concerne les matériaux composites carbone-carbone pour former des pièces de friction telles que, notamment, des disques et patins de freins et pièces de frottement d'embrayage à sec. Il est bien connu d'utiliser les composites carbone-carbone pour réaliser des éléments de friction. Ces matériaux sont obtenus par densification d'un renfort en fibres de carbone au moyen d'une matrice de carbone. La matrice peut être mise en place au sein du renfort fibreux suivant différents procédés dont, notamment, l'infiltration en phase vapeur (CVI). On pourra, par exemple, se référer à la demande de brevet FR 2 189 207. Pour l'obtention des meilleures performances possibles en utilisation en frottement, il est considéré qu'un traitement thermique à haute température (THT) doit être effectué sur le matériau après infiltration de la matrice (voir notamment la demande de brevet FR 2 460 350 et le brevet US 3 970 174). Ce traitement, généralement effectué à une température d'au moins 2000 C, provoque la graphitisation du carbone et apporte, par rapport au carbone non graphite, les avantages suivants: - un coefficient de frottement légèrement plus élevé et plus stable en température, - une conductivité thermique plus élevée, d'o une meilleure diffusivité thermique perpendiculairement aux surfaces de frottement avec, par conséquent, une évacuation plus rapide i, vers l'intérieur du matériau, de la chaleur engendrée sur ces surfaces, et - une meilleure tenue à l'oxydation devant conduire à une-. moindre usure par oxydation aux températures élevées. C'est pourquoi les matériaux composites carbone-carbone destinés à une utilisation en frottement, en particulier les disques de frein, sont actuellement soumis en fin d'élaboration -à un traitement THT, malgré le coût de cette opération et le fait que la graphitisation affecte les propriétés mécaniques du matériau. Or, et ce de façon tout à fait surprenante, le demandeur a découvert que, sous certaines conditions, l'étape de traitement THT pouvait être évitée sans nuire aux performances du matériau. Ce résultat est atteint, conformément à l'invention par le fait que le matériau est constitué de la façon suivante: - le renfort fibreux en carbone est formé de couches d'une texture fibreuse qui sont superposées et aiguilletées, - la matrice carbonée est déposée au sein du renfort par infiltration chimique en phase vapeur de pyrocarbone essentiellement de type laminaire rugueux, et - la matrice est conservée dans son état "brut de dépôt", c'est-à-dire qu'elle n'est pas exposée à une température supérieure à sa température de dépôt, ce qui aurait pour effet de provoquer sa graphitisation plus ou moins complète. Contrairement à ce que l'on pouvait attendre, le matériau ainsi obtenu a montré un comportement en frottement satisfaisant. De plus, et ce également de façon surprenante, comparé au même matériau soumis au traitement THT, le matériau suivant l'invention subit dans les mêmes conditions une usure nettement moins importante. A ces avantages, s'ajoutent l'économie du traitement THT et de meilleures propriétés mécaniques que les matériaux graphites de l'art antérieur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après des conditions d'infiltration en phase vapeur. L'une des caractéristiques du matériau selon l'invention consiste dans l'utilisation d'un renfort obtenu par aiguilletage de fibres. Des procédés d'obtention de renforts fibreux par aiguilletage sont décrits dans les demandes de brevet FR 85 09 820 et FR 85 09 821. Ils consistent à superposer des couches d'une texture fibreuse bidimensionnelle soit par empilement de couches planes formées par des tronçons de bande, soit par enroulement d'une bande sur elle-même autour d'un mandrin. Au fur et à mesure de leur empilement ou superposition, les couches sont aiguilletées sur une profondeur égale à l'épaisseur de plusieurs couches. L'aiguilletage est réalisé avec une densité constante dans tout le renfort fibreux en faisant varier la distance entre les aiguilles et le support du renfort fibreux tout le long de l'élaboration de celui-ci. Le matériau de renfort fibreux aiguilleté est utilisé pour réaliser une préforme voisine de la forme de la pièce à réaliser. Ainsi, pour la fabrication de disques de frein, on découpe des anneaux dans le renfort fibreux parallélépipédique formé par empilement et aiguilletage de couches planes ou dans le renfort fibreux cylindrique formé par bobinage et aiguilletage d'une bande. Dans le premier cas, l'épaisseur du renfort est choisie en fonction de celle des disques à réaliser tandis que, dans le deuxième cas, ce sont les diamètres intérieur et extérieur du renfort qui sont choisis en fonction de ceux des disques à réaliser. L'opération d'aiguilletage ne peut pas être effectuée sur des fibres de carbone car celles-ci se briseraient. Aussi, pour réaliser une préforme aiguilletée en fibres de carbone, on part de fibres d'un précurseur du carbone, on réalise une texture fibreuse bidimensionnelle (tissu, voile de carde, nappe de câbles....), on assemble par aiguilletage des couches superposées de cette texture, et on réalise la préforme avant de transformer le précurseur en carbone. Comme précurseur, on utilise avantageusement un poiyacrylonitrile (PAN) à l'état pré-oxydé. Le précurseur est transformé en carbone par chauffage en atmosphère inerte à une température d'au moins 800 C. De préférence, le taux volumique de fibres dans la préforme ainsi obtenue, c'est-à-dire le pourcentage du volume de la préforme occupé par les fibres, est compris entre 20 et 30 %. On retrouve sensiblement le memie taux volumique de fibres dans le matériau final. La densification de la préforme est réalisée par infiltration de pyrocarbone. Comme cela est bien connu en soi, celle-ci est effectuée dans un four sous vide à partir d'un gaz, tel que le méthane, se dissociant sous l'effet de la chaleur. Il est connu que, selon les conditions d'infiltration, différents types de pyrocarbone peuvent être déposés qui sont caractérisés par leur microstructure: laminaire lisse (LL) laminaire rugueux (LR), isotrope (I). Selon une caractéristique de l'invention, la matrice est formée par du pyrocarbone laminaire rugueux. L'homme de métier connait les conditions d'infiltration à respecter pour obtenir ce type de pyrocarbone. Il faut travailler sous une faible pression partielle d'hydrocarbure gazeux, généralement inférieure à 100 torrs (soit inférieure à 1,33.104 N/m2) et à une température relativement modérée, généralement comprise entre 900 et 1100 C. L'infiltration est réalisée en plusieurs étapes successives pour atteindre, de préférence, un pourcentage de pyrocarbone déposé au moins égal à 55 % du volume du matériau. Le matériau ainsi élaboré ne subira par la suite aucun traitement à une température supérieure à sa température de densification en sorte que sa matrice reste à l'état "brut de dépôt". Le matériau conforme à l'invention est parfaitement identifiable par l'homme de l'art. La texture aiguilletée apparait de façon très caractéristique sur des coupes micrographiques effectuées suivant un plan contenant la direction d'aiguilletage. La microstructure LR se distingue très nettement, par son aspect sur les micrographies, des autres microstructures LL et I que peut présenter une matrice de pyrocarbone. Il n'y a d'autre part pas de confusion possible avec d'autres formes de carbone provenant par exemple de la carbonisation de résines ou de brai. Enfin, l'état "brut de dépot" de la matrice pyrocarbone de type LR se distingue de son état après traitement THT par le fait que la distance C/2 entre plans graphitiques de sa structure cristalline, qui se mesure par diffraction de rayons X d'une façon bien connue, est supérieure ou égale à 0,342 nm; le traitement THT a pour effet de réduire cette distance jusqu'à une valeur voisine de 0,336 nm. Comme le montrent les résultats d'essais donnés plus loin, le matériau ainsi obtenu présente un très bon comportement en utilisation en frottement, malgré une diffusivité thermique plus basse et un coefficient de frottement un peu plus faible par rapport au matériau ayant subi un traitement final THT. Le matériau selon l'invention peut être utilisé en frottement sur lui-même. Toutefois, en variante, et selon une particularité de l'invention, le matériau peut être utilisé en frottement sur un matériau similaire mais ayant subi un traitement THT. Des essais ont été effectués sur des disques de freins d'avion réalisés comme suit. Une texture fibreuse bidimensionnelle est réalisée par formation de nappes de câbles en fibres PAN pré-oxydées, étalage-nappage d'une nappe sur une autre pour former trois couches avec des câbles orientés dans trois directions différentes, et pré-aiguilletage. Des bandes de cette texture fibreuse sont empilées sur un support et aiguilletées au fur et à mesure de leur empilement. L'aiguilletage est réalisé sur une profondeur de plusieurs bandes avec une densité d'aiguilletage constante. A cet effet, après aiguilletage de chaque bande, le support de l'empilement est écarté par rapport aux aiguilles d'une distance égale à celle de l'épaisseur d'une couche aiguilletée. Des anneaux sont découpés dans le renfort fibreux ainsi réalisé puis soumis à la carbonisation pour transformer le PAN pré-oxydé en carbone. Le taux volumique de fibres dans les préformes obtenues est d'environ 25 %. Ensuite, du pyrocarbone laminaire rugueux est introduit au sein des préformes en anneaux par infiltration en phase vapeur. Le pyrocarbone est déposé par cracking d'un gaz naturel, constitué principalement de méthane, sous une pression absolue de 50 torrs (environ 6,7.103 N/mz) à une température de 1050 C. L'infiltration est conduite en plusieurs cycles successifs, avec écroutages intermédiaires, jusqu'à obtenir une densité d'environ 1,75, les écroutages consistant à éliminer la couche superficielle afin d'éviter une obstruction de la porosité de surface qui s'opposerait au dépôt du pyrocarbone au coeur du matériau. Une partie des anneaux densifiés est soumise à un traitement THT à 2200 C pour effectuer la graphitisation du carbone. Ensuite les anneaux sont usinés aux dimensions des disques formant les rotors et stators de freins d'avion. Des essais sont réalisés sur une configuration avec deux rotors et trois stators (deux stators d'extrémité et un stator central). Trois ensembles A, B, C ayant cette configuration sont formés respectivement avec des disques tous obtenus à partir d'anneaux soumis à un traitement THT (ensemble A), avec des disques tous réalisés avec le matériau conforme à l'invention (ensemble B), et avec des disques dont les rotors sont obtenus à partir d'anneaux soumis à un traitement THT et les stators réalisés avec le matériau conforme à l'invention (ensemble C). Les trois ensembles ont été soumis à un même nombre de cycles d'essais au banc comprenant: - une phase de simulation de"taxiage" à froid (roulage avant décollage), - une phase de simulation de freinage à l'atterrissage, et - une phase de simulation de "taxiage" à chaud (roulage après atterrissage). Les résultats des essais sont donnés dans le tableau ci-après. Ensemble: Coefficient d'usure relative À : par rapport à celle obtenue sur: : 1 l'ensemble A: A B C 0,66 0,62 Coefficient de frottement : 0,28 : 0,27 : 0,25 On vérifie bien que le matériau conforme à l'invention en frottement sur lui-même ou sur un matériau ayant subi le traitement THT s'use nettement moins que le matériau ayant subi le traitement THT en frottement sur luimême. Malgré une légère diminution du coefficient de frottement, cette notable diminution de l'usure constitue, en liaison avec un coût d'élaboration plus faible et avec une meilleure tenue mécanique des avantages très significatifs du matériau obtenu selon l'invention. Z587992 REVENDICATIONS 1. Matériau composite carbone-carbone pour pièces de friction,comportant un renfort fibreux en carbone formé de couches d'une structure fibreuse qui sont superposées et aiguilletées, et une matrice carbonée déposée au sein du renfort fibreux par infiltration chimique en phase vapeur de pyrocarbone, caractérisé en ce que la matrice est formée par du pyrocarbone de type laminaire rugueux et est conservée dans son état "brut de dépôt". 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure fibreuse utilisée pour réaliser le renfort est obtenue à partir de fibres en polyacrylonitrile. 3. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le pyrocarbone est déposé jusqu'à représenter au moins 55 % du volume du matériau. 4. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le taux volumique de fibres dans le matériau est compris entre 20 et 30 %. 5. Dispositif de freinage comportant au moins deux pièces de friction en matériau composite carbone-carbone coopérant entre elles, caractérisé en ce que l'une au moins des deux pièces de friction est en un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'autre des deux pièces de friction est en matériau composite carbone-carbone réalisé par infiltration en phase vapeur de pyrocarbone au sein d'un renfort fibreux en carbone suivie d'un traitement thermique à haute température pour transformer le carbone en graphite. 7. Dispositif de freinage comportant au moins deux pièces de friction en matériau composite carbone-carbone coopérant entre elles, caractérisé en ce que les pièces de friction sont en un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.