Brevet FR2623186A1 — publié le 19890519

La présente invention concerne un matériau de frottement destiné à être utilisé dans des véhicules, par exemple automobiles, dans des dispositifs tels que freins ou embrayages. Les matériaux de frottement traditionnellement utilisés sont composés d'une structure de fibres, par exemple minérales métalliques ou organiques, et d'un liant à base de résine synthétique. Ces matériaux de frottement ont un coefficient de frottement ayant une valeur moyenne mais acceptable qui avantageusement est sensiblement constante en cours d'utilisation lorsque la température du dispositif augmente, par contre, ces matériaux présentent l'inconvénient de s'user fortement lorsque la température dépasse 350 C. L'utilisation de ces matériaux de frottement n'est donc pas satisfaisante lorsque les conditions d'utilisation sont sévères, c' est-à-dire lorsque les frottements répétés provoquent une forte montée en température du dispositif. Afin d'obtenir un matériau de frottement ayant de bonnes propriétés à des températures élevées, on a déjà fabriqué un matériau comprenant une structure de fibres de carbone et un liant carboné. Ce type de matériau, que l'on nomme généralement carbone-carbone, a un coefficient de frottement assez faible à basse température et assez élevé à haute température et une usure généralement assez faible. L'utilisation de ce matériau carbone-carbone donne de très bons résultats dans des dispositifs fonctionnant toujours à haute température mais n'est pas satisfaisante dans des dispositifs tels que des freins de véhicules automobiles dans lesquels la température évolue dans une large fourchette. En effet, le coefficient de frottement e est fortement instable à température moyenne, c'est-à-dire entre 100 OC et 300 C, et les différentes roues du véhicule peuvent, de ce fait, freiner différemment ce qui est dangereux. Nous utilisons, ici, le terme instable pour exprimer le fait que le coefficient de frottement change très rapidement de valeur dans une plage de température réduite. De plus, lorsque le matériau est utilisé à une température de la zone de transition durant laquelle le coefficient de frottement est instable1 il présente une très forte usure. Pour tenter de résoudre le problème de l'instabilité du coefficient de frottement, il a déjà été proposé de remplacer les fibres de carbone par des fibres céramiques afin de fabriquer un matériau de frottement contenant une structure de fibres céramiques et un liant carboné. Des essais effectués sur un tel matériau de frottement montrent que l'amélioration apportée au problème n'est pas suffisante, le coefficient de frottement étant toujours instable dans une zone de transition de température, l'usure restant faible en général mais forte dans la zone de transition. La présente invention a pour but de proposer un matériau de frottement permettant de résoudre à la fois le problème de l'instabilité du coefficient de frottement et le problème de l'usure. A cet effet, elle vise plus précisément un matériau de frottement du genre comportant, dans un liant carboné, une structure de fibres caractérisé en ce que la structure de fibres comprend des fibres de carbone associées à des fibres céramiques dans des proportions relatives de 25:75 à 75:25 en volume. Des essais ont montré que, de manière tout à fait imprévisible, un tel matériau de frottement a un coefficient de frottement semblable à celui des matériaux traditionnels c'est-à-dire moyen mais stable et une usure restant toujours faible, même à haute température. Le matériau de frottement, suivant l'invention, est de préférence fabriqué à partir d'une structure de fibres comprenant les fibres de carbone et les fibres céramiques dans des proportions relatives de 40:60 à 60:40 en volume. L'invention sera mieux comprise au vu des exemples de réalisation et des résultats d'essais qui seront maintenant décrits. - La figure 1 regroupe les courbes donnant le coefficient de frottement en fonction de la température pour quatre matériaux de frottement : un matériau traditionnel un matériau à structure de fibres de carbone, un matériau à structure de fibres céramiques et un matériau suivant l'invention. - La figure 2 regroupe les courbes donnant l'usure en fonction de la température de ces quatre matériaux. Les essais ont été effectués en faisant frotter trois éprouvettes, de 15 mm sur 30 mm, sur un disque de fonte tournant à une vitesse tangentielle au niveau du frottement de 5 mètres par seconde. Les éprouvettes sont appliquées sous une pression de 5 bars sur un rayon d'action de 0,195 mètre. Le frottement se fait en continu durant 30 minutes. Les matériaux de frottement I, II, III, essayés en comparaison avec le matériau traditionnel T sont tous des matériaux composés d'une structure de fibres et d'un liant carboné, des charges métalliques et/ou minérales pouvant être, de façon connue, ajoutées à cette composition. Le liant carboné présent dans ces matériaux de frottement est, au moins en partie, du carbone déposé par infiltration de pyrocarbone dans une matrice préformée. De manière connue en soi pour la fabrication d'un matériau - frottement, on prépare une matrice contenant la structure de fibres et, si tel est le cas les charges et le liant que l'on pastille sous 500 bars. Dans le cas d'un matériau à liant carboné, on infiltre cette matrice de pyrocarbone sous atmosphère de méthane, durant, par exemple, 150 heures à 1000 OC, ce qui provoque le dépôt de carbone pyrolitique au sein même de la matrice. On peut utiliser soit une matrice ne contenant pas de liant et le liant carboné du matériau de frottement est alors formé totalement de carbone pyrolitique, soit une matrice contenant un liant carbonisable. Dans le deuxième cas, avant infiltration du pyrocarbone, on stabilise le liant à 200 OC durant 2 heures à l'air puis on le carbonise à 900 OC durant 10 heures après une montée en température de 10 heures sous atmosphère neutre. Sur les figures 1 et 2 sont regroupés les résultats d'essais pour les quatres matériaux de frottement. Le premier, le matériau traditionnel T qui sera pris comme référence, a pour composition % en volume - liant formophénolique 15 - liant élastomère 5 - fibres de renfort minérales (laitier..) 25 - charges minérales de frottement (baryte) 30 - charges métalliques (cuivre...) 20 - charges lubrifiantes (graphite....) 5 Le matériau I à comme structure de fibres uniquement des fibres de carbone. Le matériau II a comme structure de fibres uniquement des fibres céramiques, aussi appelées fibres de silicate d'aluminium. Ces fibres sont par exemple des fibres vendues par Johns-Manville sous la dénomination commerciale "Cerafiber". La figure 1 présente en abscisse la température du disque de fonte de 0 à 400 C et en ordonnée le coefficient de frottement du matériau essayé. Le coefficient de frottement du matériau de référence T a une valeur comprise entre 0,3 et 0,4 et ne présente pas d'instabilité. On voit que pour le matériau I, le coefficient de frottement reste entre 0,4 et 0,5 à basse température, puis augmente de manière très rapide au dessus de 200 "C. Cela peut être dangereux sur un véhicule automobile car si, pour une raison quelconque, les freins de dieux des roues ont une température différente et que leur température soit dans la zone que nous appellerons zone de transition, les coefficients de frottement dans ces freins peuvent être tellement différents que le freinage du véhicule se fera dans de très mauvaises conditions. On voit que le matériau II présente, lui aussi, une instabilité du coefficient de frottement dans une zone de transition entre 200 et 250 OC. Le matériau II est légèrement meilleur que le matériau I car cette instabilité n'est pas aussi importante mais ce matériau II n'est pas encore satisfaisant pour une utilisation dans un véhicule automobile. Sur la figure 2 on a représenté en abscisse la température du disque de fonte et en ordonnée l'usure spécifique (en mm3/kWh) des éprouvettes. La courbe de l'usure du matériau de référence T est une courbe croissante en fonction de la température ; ce matériau s'use fortement lorsque l'on arrive à des températures élevées. On remarque que, pour le matériau I comme pour le matériau II, l'usure est plus faible que celle du matériau T mais augmente dans la zone de transition. Malgré les résultats assez décevant en ce qui concerne le coefficient de frottement des matériaux I et II, la demanderesse a pensé à faire des essais en utilisant comme structure de fibres un mélange de fibres de carbone et de fibres céramiques. Les fibres céramiques utilisées sont des fibres vendues par "Johns-Manville" sous la dénomination de "Cerafiber" ou des fibres vendues par wCarborandum" sous la dénomination "Fiberfrax". Le premier matériau essayé par la demanderesse est fabriqué à partir d'une matrice contenant 40 % en volume de liant carbonisable, ici de la collophane, 30 % de fibres de carbone et 30 % de fibres céramiques. Cette matrice est pastillée sous 500 bars puis chauffée à 200 OC durant 2 heures à l'air pour stabiliser le liant, puis carbonisée à 900 "C durant 10 heures après une montée en température de 10 heures sous azote pour carboniser ledit liant. La matrice est ensuite soumise à une infiltration de pyrocarbone durant 150 heures à 1000 OC sous atmosphère de méthane afin d'être densifiée par dépôt de carbone. Pendant cette infiltration, la prise de poids de la matrice est de 50 à 70 %. Les essais effectués avec ce matériau, que nous appelons le matériau III donnent, comme on peut le voir sur Tes figures 1 et 2, des résultats tout à fait inattendus. En effet, comme visible sur la figure 1, ce matériau III a un coefficient de frottement restant étonnamment stable en fonction de la température. De plus, comme visible sur la figure 2, son usure est faible et stable également. De nombreux essais effectués par la suite ont montré que la composition de la matrice devait, pour obtenir de bons résultats, être % en volume - liant carbonisable 0 à 40 - fibres de carbone 20 à 60 - fibres céramiques 20 à 60 - charges métalliques 0 à 20 - charges minérales 0 à 30 Si l'on considère uniquement la structure fibreuse, les fibres de carbone et les fibres céramiques sont présentes dans des proportions relatives de 25:75 à 75:25 en volume. Les charges minérales et/ou métalliques pouvant être présentes sont, comme connu en soi, des charges telles que de la poudre de cuivre, du basalte, de la poudre de nickel... Comme on peut le remarquer, le liant carbonisable peut ne pas exister dans la matrice ; le liant carboné du matériau de frottement obtenu sera alors uniquement formé par du carbone déposé lors de l'infiltration. La fabrication se fait alors en deux étapes uniquement, à savoir le pastillage et l'infiltration. Des essais complémentaires ont montré que la composition de la matrice devait être de préférence: % en volume - liant carbonisable 0 à 30 - fibres de carbone 30 à 40 - fibres céramiques 30 à 40 - charges métalliques 0 à 15 - charges minérales 0 à 20 Soit des proportions relatives des fibres de carbone et des fibres céramiques de 40:60 à 60:40 en volume dans la structure fibreuse. On citera à titre d'exemple différentes compositions donnant de très bons résultats d'essais. Exemple 1 On forme une matrice contenant 30 % de liant carbonisable, 30 % de fibres de carbone et 40 % de fibres céramiques. La structure fibreuse formée de fibres de carbone et de fibres céramiques contient donc 43 % de fibres de carbone et 57 % de fibres céramiques. Cette matrice est pastillée sous 500 bars puis stabilisée 2 heures à 200 OC à l'air. Elle est ensuite carbonisée suivant la technique décrite précédemment. La carbonisation se fait sous atmosphère d'azote. Exemple 2 La matrice formée, ici, est uniquement fibreuse 40 % de fibres de carbone, 40 % de fibres céramiques et 20 % de fibres de basalte. La structure fibreuse comprend alors 40 % de fibres de carbone et 40 % de fibres céramiques. Cette matrice est pastillée puis infiltrée. Exemple 3 On forme une matrice à partir de 25 % de liant carbonisable, 30 % de fibres de carbone, 20 % de fibres céramiques, 10 % de poudre de basalte et 15 % de poudre de nickel. Cette matrice est pastillée, stabilisée, carbonisée puis infiltrée dans les mêmes conditions que celles déjà décrites. Les essais effectués avec les matériaux de frottement selon ces trois exemples donnent tous des résultats tels que ceux représentés sur les figures pour le matériau III REVENDICATIONS 1) Matériau de frottement du genre comportant, dans un liant carboné, une structure de fibres, caractérisé en ce que la structure de fibres comprend des fibres de carbone associées à des fibres céramiques présentes dans des proportions relatives allant de 25:75 à 75:25 en volume. 2) Matériau de frottement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres de carbone et les fibres céramiques sont de préférence présentes dans des proportions relatives allant de 40:60 à 60:40 en volume dans la structure fibreuse. 3) Matériau de frottement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liant carboné est, au moins en partie, du carbone déposé par infiltration directe. 4) Matériau de frottement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liant carboné est, en partie, obtenu à partir d'un liant carbonisable. 5) Matériau de frottement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient des charges. 6) Matériau de frottement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est formé à partir d'une matrice contenant de 0 à 40 % de liant carbonisable, de 20 à 50 % de fibres de carbone, de 20 à 50 % de fibres céramiques, de O à 20 % de charges métalliques, de 0 à 30 % de charges minérales. 7) Matériau de frottement suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la matrice contient, de référence, de 0 à 30 % de liant carbonisable, de 30 à 40 % de fibres de carbone, de 30 à 40 % de fibres céramiques, de 0 à 15 % de charges métalliques et de 0 à 20 % de charges minérales. 8) Procédé de fabrication d'un matériau de frottement suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on forme une matrice à partir de la structure de fibres, des charges et du liant, l'on pastille cette matrice sous 500 bars, on stabilise le liant 2 heures à 200 OC à l'air, on carbonise le liant à 900 OC durant 10 heures après une montée en température de 10 heures sous atmosphère neutre et on infiltre du pyrocarbone 150 heures à 1000 OC sous atmosphère de méthane.