Brevet FR2616779A1 — publié le 19881223

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE NOTAMMENT D'UN DISQUE FREIN EN CARBONE-CARBONE ET PIECE OBTENUE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite du type carbone- carbone ainsi que Les pièces obtenues par ce procédé. En particutier, ces pièces sont des disques de frein destinés à être utitisés sur des véhicutes terrestres, sur des avions, ou sur des véhicutes spaciaux (navette ou aéronef). De façon pLus généraLe, L'invention s'appLique à tout type de pièces dans LesqueLLes Le carbone-carbone joue un rôLe structuraL. Un matériau composite du type carbone-carbone est un matériau formé d'un substrat de fibres de renforicement carbonées, noyées dans une matrice carbonée en carbone ou en graphite. Ces matériaux sont obtenus par densification d'un substrat poreux consistant, soit à imprégner La structure à densifier avec un hydrocarbure Liquide ou une résine puis à pyroLyser L'hydrocarbure ou La résine de façon à obtenir une matrice de coke, soit à pLacer Le substrat à densifier porté une température suffisante dans un courant de gaz carboné afin de décomposer thermiquement ce gaz en carbone ou en graphite pyroLytique pouvant aLors se déposer à L'intérieur du substrat. MaLheureusement, ces procédés de densification sont reLativement Longs. Ceci est Lié à La difficuLté de faire pénétrer Le gaz à pyroLyser à L'intérieur du substrat poreux, cette difficuLté augmentant avec L'épaisseur de te pièce,ou à La nécessité de recommencer pLusieurs fois Le cycLe dans Le cas des imprégnations Liquides. En outre, pLus La porosité du substrat est faibte, pLus La pénétration du matériau carboné est difficiLe à réaLiser. Par aiLLeurs, cette difficuLté de pénétration du gaz à pyrotyser conduit à des pièces de densité peu uniforme. La réaLisation du substrat poreux à densifier est réaLisée par tissage uni ou muLtidirectionneL, Les trous éventueLtement formés Lors du tissage ou de L'aiguiLLetage servant uniquement au passage des fibres de renforcement en carbone du matériau composite. Par aitLeurs, on connait des disques de frein réatisés en un matériau homogène, généraLement en métaL, possédant une muLtitude de trous orientés seton L'axe de révoLution du disque en vue de favoriser te freinage sous te ruisseLLement d'eau et te refroidissement en généraL. Ces trous sont obtenus par perçage du disque, après éLaboration de ceLui-ci. La présente invention a justement pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite présentant une étape de densification pLus faciLe à réatiser que cette des procédés de L'art antérieur. ELLe se rapporte à L'éLaboration de trous dans Le substrat d'une pièce en composite avant sa densification. D'une part ces trous ne sont pas obtenus par perçage après éLaboration du matériau définitif etcl'autre partiLs ne so nt pas destinés à servir au passage de fibres Les obturant. De façon pLus précise, L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite formé de fibres carbonées de renforcement, noyées dans une matrice carbonée, caractérisé en ce qu'iL consiste à : (a) former un substrat poreux en fibres carbonées comportant des trous clébouchants dont Les axes sont perpendicuLaires à La paroi du substrat ayant La pLus grande surface, (b) densifier te substrat poreux par décomposition thermique d'un courant de gaz carboné afin de former La matrice carbonée par dépôt de carbone ou graphite pyroLytique dans Les pores du substrat, Les trous devant subsister pour favoriser L'accès du courant de gaz dans La pièce. Par fibre de renforcement, it faut comprendre tout fit court ou Long, tressé ou non, généraLement utiLisé dans Le domaine des matériaux composites. Ces trous permettent- La réduction des parcours à effectuer, au cours de La densification par Le gaz ainsi qu'un accès identique à toutes les couches du substrat poreux conduisant ainsi à L'obtention d'une densité uniforme de La pièce en matériau composite et à une réduction considérabLe de La durée de densification en phase gazeuse. Par ailLeurs, ces trous constituent un point d'arrêt de propagation des fissures dans La pièce obtenue, augmentant ainsi sa résistance aux chocs. Le gaz carboné est formé d'un gaz ou d'un métange de gaz carbonés. Ces gaz sont par exempLe des hydrocarbures satu'rés ou non, substitués ou non, ayant notamment de 1 à 4 atomes de carbone teLs que Le méthane, L'éthane, Le propane et Le butane. Le procédé de L'invention s'appLique à tous Les types de substrats poreux envisageabLes (tissus, feutres, etc.) pour autant que ceux-ci n'atteignent pas une vateur trop proche de La densité théoriquement maximaLe en fibres de carbone du substrat poreux non muni des trous. Le procédé de L'inVention peut donc s'appLiquer sur des mats aLéatoires aiguitLetés ou non, sur des mèches de fiLaments muLtiptes aLéatoirement disposées, sur des nappes unidirectionneLLes ou sur des tissus empiLés, etc. Pour ces types de substrat poreux, Les trous sont formés par écartement des fibres du substrat, sans découpage de ceLLes-ci, en enfonçant par exempLe, de façon individueLLe ou coLLective des aiguiLLes parfaitement Lisses et effiLées, susceptibLes de n'exercer que de très faibLes dommages sur Les fibres qu'eLLes rencontrent, Lors de Leurs traversées du substrat. On peut aussi réatiser ces trous par tout procédé partieLLement destructeur de fibres tet que par exempLe un jet fLuide. Dans te cas de substrats poreux très denses (tissage tridimensionneL notamment) te procédé seLon L'invention peut aussi s'appLiquer à condition de prévoir des trous vides, c'est- à-dire ne servant pas à L'introduction des fibres, Lors du tissage du substrat poreux. Une des particuLarités essentieLLes du procédé de L'invention est que Les divers substrats poreux, perforés, conservent La mémoire des trous effectués, après La réaLisation de La matrice carbonée ou au moins après Les premières phases de réaLisation de cette matrice. Suivant Le procédé de perçage utiLisé, Les trous créés ne se présentent pas toujours de manière identique. En effet, certains substrats comportant des fibres courtes ont tendance à reboucher partieLLement Les trous formés en donnant un aspect peLucheux aux parois de ces trous. La Lumière ne peut donc pLus traverser La pièce en composite par Les trous mais ceux-ci apparaissent très nettement, dans Leur forme originaLe, sur une radiographie aux rayons X. Le rÔLe de teLs trous peLucheux est aussi efficace pour Le passage des gaz carbonés, et donc pour L'accéLération de La densification, que ceLui de trous à parois Lisses. Les trous pratiqués dans des substrats à fibres Longues et groupées, teLLes que mèches et tissus, n'ont pas toujours de parois PeLucheuses, mais peuvent égaLement être étanches à La Lumière tout en conservant Leur forme initiaLe en radiographie X. Afin d'obtenir des trous à bords pLus nets, présentant en particuLier des parois Lisses et réguLières, iL est possibLe de disposer dans chacun des trous pratiqués dans Le substrat, des tiges de matériaux non carburabLes aux températures concernées et en particuLier en cuivre ou moLybdène. Ces tiges peuvent être introduites pendant Les traitements thermiques du substrat, si ceLui-ci est initiaLement sous forme de précurseur du carbone, soit pendant ta première phase de réaLisation de La matrice carbonée par décomposition du gaz carboné. Suivant La nature de La porosité du substrat, it est possibLe de Lui faire subir une pré-imprégnation dans un bain Liquide carboné, par exempte dans un hydrocarbure Liquide, et faire suivre cette pré-imprégnation d'un égouttage ayant pour but de Laisser évacuer Le Liquide présent dans Les trous. Une carbonisation de L'ensembLe permet ators La formation d'une matrice de coke poreux. Le matériau obtenu peut aLors subir La densification par voie gazeuse, sans avoir perdu Les faciLités d'accès du gaz à L'intérieur du matériau poreux. A L'achèvement de La densification interne du matériau par voie gazeuse, une modification voLontaire des conditions physiques du craquage du gaz carboné peut conduire à réaLiser une croûte de carbone ou graphite pyroLytique sur Les surfaces externes de La pièce en matériau composite ainsi que sur Les parois des trous afin de Les obturer partieLLement ou totaLement. Dans ce cas, Le diamètre des trous peut avoir été initiaLement prévu suffisamment petit en vue de cette obturation automatique en fin de densification. Ces modifications voLontaires consistent en particuLier en L'augmentation de La température ou de La pression du gaz. Sur te pLan mécanique, un trou est d'une manière généraLe un procédé d'arrêt de propagation des fissures dans Le matériau. Dans Le cadre de L'invention, ces trous sont particuLièrement efficaces car Leurs parois sont des zones à densité de matrice maximaLe, ce qui rend ces parois particuLièrement résistantes. En outre, Les fibres ne sont pas coupées et entourent simpLemerit Les trous. Pour certaines pièces en matériau composite, iL peut être nécessaire d'obturer compLètement Les trous formés dans Le substrat poreux. Dans ce cas, L'obturation finaLe des trous, c'est-à- dire après densification en phase vapeur, peut consister à immerger Le matériau densifié dans un bain Liquide carboné constitué par exempte de résine pyroLysabLe, ou encore d'hydrocarbure Liquide chargé ou non, puis à carboniser L'ensembLe pour obtenir un coke qui peut servir éventeLLement de support à une dernière densification par décomposition thermique de gaz carboné. IL est aussi possibLe d'obturer Les trous par un- matériau pLus courant et moins coûteux que Le carbone, éventueLLement apte au frottement tel. que certains métaux ou des méLanges céramique-métaL par exempLe. Comme matériau on peut citer Le cuivre et tous Les produits commerciaLement utiLisés dans Les patins de freins. On peut aussi utitiser des matériaux ayant un pouvoir anti-oxydant pour Le carbone teLs que Les phosphates tricaLciques comme matériau d'obturation des trous. Bien entendu, cette obturation des trous par un matériau non carboné doit être réatisée après La densification du matériau composite. L'invention a aussi pour objet des pièces en matériau composite formées de fibres carbonées de renforcement noyées clans une matrice carbonée, obtenues par te procédé seLon L'invention, ces pièces comportant des trous dont Les axes sont perpendicuLaires à La paroi de La pièce ayant La pLus grande surface. Suivant Le procédé utiLisé, Les trous peuvent présenter des parois Lisses ou réguLières ou bien des parois peLucheuses. En outre, ces trous peuvent être bouchés avec L'un des matériaux non carbonés décrits précédemment. Dans ce cas, L'existence initiaLe des trous peut être mise en évidence par radiographie aux rayons X et surtout par micrographie optique. En particuLier, ces pièces en matériau composite sont des disques de frein. Dans ce cas, Les trous sont orientés paraLLèLement à L'axe de révoLution du disque de frein. Lorsque ces trous ne sont pas compLètement bouchés Lors de La densification, iLs permettent d'augmenter L'efficacité du freinage sur piste mouiLtée en améLiorant Le temps de réponse des freins grâce à La pénétration de L'eau dans Les trous. L'efficacité de ces trous Lorsde La fabrication des pièces en composite, dépend de pLusieurs facteurs parmi Lesquets se trouvent La distance entre Les trous et Le diamètre des trous ou Le périmètre totaL des parois des trous par unité de surface de La pièce en matériau composite. Dans Le cas d'un disque de frein d'avion, un ordre de grandeur non Limitatif de L'invention situe Le diamètre des trous de 0,5 à 5 mm et Leur distance de 3 à 30 mm pour être efficace. Ces trous peuvent être répartis de façon aLéatoire ou non. Sur te pLan du frottement, Les trous peuvent avoir une répartition quetconQue Lorsqu'iLs sont bouchés en fin de densification du disque de frein. Inversement, Lorsque tes trous sont non obstrués, L'usure minimate des disques de frein est obtenue Lorsque Les trous sont disposés sur des cerctes concentriques centrés sur L'axe de révoLution du disque, afin de conserver au disque de frein une proportion suffisante de surface pouvant frotter circonférentieLLement, sans discontinuité. En outre, pour des disques pourvus de rainures de cLavette en vue de Leur fixation, iL est préférabte que Les trous soient situés à une certaine distance des bords du disque comportant ces rainures de cLavette. La zone dépourvue de trous autour de ces rainures est par exempte à peu près de même dimension que L'épaisseur du disque de frein. D'autres caractéristiques et avantages de L'invention ressortiront mieux de La description qui va suivre, donnée à titre iLLustratif et non Limitatif, en référence aux figures annexées, dans Le-squeLLes : - Les figures 1 et 3 sont des diagrammes iLLustrant deux modes de réaLisation du procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, conformément à L'invention, et - La figure 2 représente schématiquement, en perspective, un disque de frein conforme à L'invention. En référence à La figure 1, on va décrire un mode de réaLisation d'un disque de frein conforme à L'invention. La première étape du procédé, comme représenté par Le bLoc 20, consiste à former un substrat fibreux poreux en carbone, endisposant des fibres de carbone seton n directions d'un même pLan, de façon connue. La seconde étape du procédé, schématisée par te bLoc 22, consiste à former des trous dans Le substrat fibreux, de 0,5 à 5 mm de diamètre, par enfoncement d'aiguiLtes métaLLiques parfaitement Lisses et effiLées. La densité des trous est de 1 2 par cm Ensuite, on immerge Le substrat fibreux muni de ses trous dans un hydrocarbure Liquide teL qu'un brai de houitte, comme indiqué par L e bLOc 24. On Laisse ators s'égoutter te substrat à L'air Libre, comme L'indique Le bLoc 26. On pLace aLors te substrat dans un four porté à 7000C environ afin de transformer L'hydrocarbure Liquide présent dans Les trous et dans Les pososités du substrat en carbone ou graphite pyroLytique. Cette étape est schématisée par Le bLoc 28. Comme schématisé par Le bLoc 30, L'étape suivante du procédé consiste à déposer dans Le substrat poreux du carbone pyroLytique, par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de méthane. Cette décomposition chimique est réaLisée dans un four, maintenu à 10000C, pendant 150 heures environ, Le gaz étant mis en circuLation sous une pression de 2000 Pa. La densification seLon L'art antérieur par CVD nécessite 600 heures pour un disque de frein de 20 mm d'épaisseur. Ce procédé permet d'obtenir un disque de frein teL que représenté sur La figure 2, comportant une structure mécanique 32 en carbone-carbone pourvue de trous 34 dont Les axes sont orientés paraLtèLement à L'axe de révotution 36 du disque, et donc perpendicuLairement aux surfaces 32a et 32b du disque ayant La pLus grande surface. Ces trous 34 débouchent de chaque côté 32a et 32b du disque. En outre, iLs sont disposés sur des cercLes concentriques 38, centrés sur L'axe de révoLution 36. Comme indiqué sur La figure 2, Les rainures de cLavettes 40 du disque sont entourées chacune d'une zone 42 dépourvue de trous 34. Sur La figure 3, on a représenté un autre mode de réaLisation du procédé de L'invention permettant d'obtenir des pièces en carbone-carbone dont Les trous seton L'invention sont obturés en fin de densification. Les étapes de ce mode de réaLisation, identiques 'en tout point à cettes décrites précédemment teLLes que La fabrication du substrat fibreux, La formation des trou's, t'immersion dans un hydrocarbure Liquide, La carbonisation et La seconde densification par CVD, sont représentés Par un bLoc ayant tes mimes références. Ce mode de mise en oeuvre se distingue donc du précédent par La réaLisation d'une première étape de densification, schématisée en 23, par dépôt chimique en phase vapeur de méthane juste avant L'immersion dans L'hydrocarbure Liquide. Cette décomposition est réaLisée dans un four porté à 1000C, pendant 200 heures. En outre, L'étape d'égouttage entre L'immersion dans L'hydrocarbure Liquide et La carbonisation est supprimée. La description donnée précédemment n'a été donnée qu'à titre iLLustratif, toute modification, sans pour autant sortir du cadre de L'invention pouvant être envisagée. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite formé de fibres carbonées de renforcement, noyées dans une matrice carbonée, caractérisé en ce qu'iL consiste à : (a) former (20, 22) un substrat poreux en fibres carbonées comportant des trous débouchants (34) dont Les axes sont perpenclicutaires à La paroi (32a, 32b) du substrat ayant ta pLus grande surface, puis (b) densifier (23, 30) Le substrat poreux par décomposition thermique d'un courant de gaz carboné afin de former La matrice carbonée (32) par dépôt de carbone ou graphite pyroLytique dans Les pores du substrat, Les trous devant subsister pour favoriser L'accès du courant de gaz dans La pièce. 2. Procédé seLon La revendication 1, caractérisé en ce que Les trous (34) sont formés par écartement des fibres du substrat. 3. Procédé seLon La revendication 1, caractérisé en ce que Le substrat pourvu de ces trous (34) est obtenu par tissage. 4. Procédé seLon L'une queLconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que L'on effectue entre Les étapes (a) et (b), L'immersion (24) du substrat poreux dans un bain Liquide carboné, suivie d'un égouttage (26) puis d'une carbonisation (28) de L'ensembLe. 5. Procédé seLon L'une queLconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que L'on forme, au cours de L'étape (b), une croûte de carbone ou graphite pyrotytique sur Les parois des trous afin de Les obturer partieLLement ou totaLement. 6. Procédé seton L'une queLconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que L'on effectue, après L'étape (b), L'immersion (24) du substrat densifié dans un bain Liquide carboné,- suivi d'une carbonisation (28) de L'ensembLe éventueLLement suivie d'une densification (30) uLtime par décomposition thermique d'un courant de gaz carboné. 7. Procédé seLon L'une queLconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que L'on dispose dans chacun des trous, avant d'effectuer L'étape (b), des tiges en matériau non carburabte que L'on enLève après réatisation de L'étape (b). B. Procédé seLon L'une queLconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que L'on effectue après L'étape (b) L'obturation des trous (34) subsistant éventueLLement par au moins un matériau choisi parmi Les métaux, Les méLanges céramique-métat et Les matériaux anti-oxydants pour te carbone. 9. Pièce en matériau composite formé de fibres carbonées de renforcement noyées dans une matrice carbonée, caractérisée en ce qu'eLLe comprend des trous (34) dont Les axes sont perpendicuLaires à La paroi (32a, 32b) de La pièce ayant La pLus grande surface. 10. Pièce seLon La revendication 9, caractérisée en ce que Les trous (34) présentent des parois Lisses et réguLières. 11. Pièce seLon La revendication 9, caractérisée en ce que Les trous (34) présentent des parois peLucheuses rendant Les trous peu visibLes à L'oeiL nu mais visibLes en radiographie X ou micrographie optique. 12. Pièce seLon L'une queLconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que Les trous renferment au moins un matériau choisi parmi Les métaux, Les matériaux anti-oxydants pour Le carbone et Les méLanges céramique-métaL. 13. Disque de frein comportant un axe de révoLution (36), caractérisé en ce qu'it est formé d'une pièce en matériau composite seLon L'une queLconque des revendications 9 à 12. # 14. Disque de frein seLon La revendication 13, caractérisé en ce que Les axes des trous (34) sont paraLLèLes audit axe de révoLution (36). 15. Disque de frein seLo n La revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que Les trous (34) sont disposés sur des cerctes concentriques (38) centrés sur Ledit axe de révotution (36). 1 - 6. Disque de frein seLon L'une queLconque des revendi-cations 13 à 15, caractérisé en ce qu'it est pourvu de rainures de cLavettes (40) entourées chacune d'une zone (42) dépourvue de trous.