Brevet FR2796895A1 — publié le 20010202

FROTTEUR DE PANTOGRAPHE EN COMPOSITE CARBONE/CARBONE IMPREGNE DE CUIVRE Domaine de l'invention La présente invention concerne les pantographes utilisés pour la captage de courant électrique depuis un conducteur électrique fixe, appelé "caténaire", vers un véhicule ferroviaire à l'arrêt ou en mouvement. L'invention concerne plus particulièrement l'élément frotteur (ou " bande de frottement ") des pantographes. Etat de la technique Les pantographes utilisés sur les matériels ferroviaires comprend typiquement un dispositif de soutien mobile et une bande frottante (ou "bande de frottement"). Le dispositif de soutien supporte la bande frottante et permet de la mettre en contact avec la caténaire, qui est en général un fil de cuivre, assurant ainsi le transfert de courant de la caténaire vers le véhicule en mouvement ou l'arrêt. La bande frottante comprend l'élément frotteur du pantographe. Les bandes de frottement sont considérées comme des produits d'usure remplaçables qui doivent posséder une série de propriétés d'usage. En particulier, et avant tout, les bandes de frottement doivent bien conduire le courant, c'est-à-dire qu'elles doivent présenter une faible résistance électrique, de manière à réduire les pertes d'énergie et les échauffements. En outre, les bandes de frottement doivent présenter des propriétés de frottement contre la caténaire convenables, c'est-à-dire qui évitent une usure rapide aussi bien de la bande frottante que de la caténaire. II est en particulier impératif d'éviter tout grippage et toute abrasion de la caténaire. De plus, les bandes de frottement doivent être légères afin de minimiser l'inertie mécanique du dispositif de captage de courant, ce qui permet notamment de réduire l'amplitude des mouvements verticaux du pantographe lorsque le véhicule est en mouvement et d'éviter l'ouverture du contact entre l'élément frotteur et la caténaire qui peut créer des arcs électriques. D'autre part, les bandes de frottement doivent pouvoir résister à l'usure et à l'abrasion causées par les arcs électriques inévitables qui se développent entre la caténaire et le frotteur. De surcroît, les bandes de frottement doivent présenter une grande résistance aux chocs mécaniques contre la caténaire car un bris de la bande frotteuse peut conduire à des avaries importantes du système de captage ou de la caténaire même. Elles doivent également résister à des températures pouvant atteindre 300 à 400 C dans les applications les plus sévères. Enfin, les bandes de frottement doivent être faciles à monter et à remplacer. Il est connu d'utiliser des bandes de frottement essentiellement métallique munie de moyens pour améliorer les propriétés de friction et, éventuellement, de moyens pour augmenter la conductivité. Par exemple, il est connu d'utiliser des bandes en fer accompagnées d'un dispositif de lubrification, des bandes en fer fritté poreux incorporant des additifs (tels que des composés intermétalliques et du plomb) pour améliorer les propriétés de friction et ajouts de cuivre pour augmenter la conductivité, des bandes de cuivre fritté poreux incorporant des additifs (tels que des composés intermétalliques et du plomb) destinés à obtenir des propriétés de friction satisfaisantes, et des bandes en aluminium renforcé de fibres (telles que des fibres d'alumine) qui lui confèrent des propriétés de friction satisfaisantes. Ces bandes de frottement présentent toutefois une mauvaise résistance à l'abrasion causée par les arcs électriques, une usure de la caténaire appréciable et, sauf dans le cas des bandes en aluminium, un poids élevé. II est également connu d'utiliser des bandes de frottement comprenant une bande d'usure à base de graphite artificiel, éventuellement imprégné de cuivre ou d'alliage de cuivre afin d'augmenter la conductivité électrique, et une bande métallique support pour assurer les fonctions mécaniques, car les bandes en graphite artificiel sont trop fragiles pour être utilisées seules. Les coûts de production de ces bandes mixtes sont aussi généralement plus élevés que ceux des bandes essentiellement métalliques. La demanderesse a donc recherché une bande de frottement légère, de plus grande longévité, de conductivité élevée, et de faible agressivité vis-à-vis du fil caténaire, qui, de préférence, ne nécessite pas de support et qui permettent de réduire les coûts de fabrication de la bande et les coûts d'exploitation des installations utilisant des pantographes. Description de l'invention L'invention a pour objet une bande de frottement de pantographe comprenant une bande d'usure en composite carbone/carbone (ou C/C) imprégné de cuivre. Un composite C/C est un matériau solide comprenant des fibres de carbone (ou "substrat fibreux") noyées dans une matrice de carbone. Les fibres de carbone sont, par exemple, des fibres de brai, des fibres ex-polyacrylonitrile ou des fibres ex- viscose. Ces fibres peuvent se présenter sous différentes formes, telles que sous forme de tissu ZD ou 3D, de nappe unidirectionnelle ou de fibres aléatoires. L'invention a également pour objet un pantographe comprenant au moins une bande de frottement (1) selon l'invention. Fi res La figure 1 représente, en section transversale par rapport au sens long de la bande, une bande de frottement (1) typique de l'art antérieur en contact avec une caténaire (10). La bande représentée comprend une bande d'usure (2) et un support-renfort (4). Le support-renfort (4) améliore la tenue mécanique de la bande d'usure (2) lorsque celle-ci est à base de graphite, et permet en outre de fixer la bande sur le pantographe. La figure 2 représente, en section transversale par rapport au sens long de la bande, une bande de frottement (1) typique de l'art antérieur munie de moyens de détection d'avaries et/ou d'usure (3). La figure 3 représente, en section transversale par rapport au sens long de la bande, une bande de frottement (1) typique de l'art antérieur munie de moyens de raccordement électrique (5, 6). La figure 4 représente, vue de côté (a) et vue du dessous (b), une bande de frottement (1) typique de l'art antérieur munie d'un support-renfort (4) qui couvre la longueur de la bande de frottement. La figure 5 représente, en coupe longitudinale, des moyens de fixation (7, 8, 11) sur le pantographe (9) de la bande de frottement selon l'invention. Description détaillée de l'invention La bande de frottement (1) destinée à la captation de courant depuis un conducteur fixe, tel qu'un conducteur aérien ou caténaire, (10) vers un véhicule en mouvement, selon l'invention, comprend une bande d'usure (2) et est caractérisée en ce que la bande d'usure (2) comprend, en tout ou partie, un matériau composite carbone/carbone (C/C) imprégné de cuivre. La matrice de carbone peut être obtenue suivant différentes techniques, telles que par infiltration d'un liquide riche en carbone qui est ensuite pyrolysé pour laisser un squelette carboné autour des fibres, l'opération étant répétée autant de fois que nécessaire (typiquement 3 ou 4 fois), par infiltration d'un gaz riche en carbone dans des conditions thermodynamiques favorisant le craquage du gaz, laissant un dépôt de pyrocarbone sur les fibres, ou par une combinaison de ces deux techniques. L'imprégnation de cuivre peut être obtenue par infiltration de cuivre liquide dans la porosité résiduelle du composite C/C, c'est-à-dire la porosité restant ouverte après les phase de construction de la matrice de carbone du composite, et par solidification du cuivre infiltré. L'infiltration est généralement effectuée en autoclave, à des pressions importantes (typiquement de 20 à 200 bars) afin d'assurer une bonne infiltration du cuivre liquide dans la porosité. La porosité résiduelle du matériau composite hors cuivre, c'est-à-dire la porosité du matériau composite avant imprégnation cuivre et accessible à cette imprégnation, est de préférence comprise entre 5 et 50 % environ. Comme le montrent les essais présentés plus bas, une porosité résiduelle supérieure à environ 50 % conduit à un taux d'usure élevé si le degré de graphitisation est trop faible (cas E-2). Le composite C/C peut être amené à cette porosité par un traitement de densification par voie liquide ou gazeuse, ou une combinaison des deux. I1 a été trouvé avantageux de réaliser la densification par voie gazeuse seule. Le matériau composite possède de préférence un degré d'organisation cristalline proche de celui du graphite, c'est-à-dire qu'il possède un indice de graphitation qui est de préférence supérieur ou égal à 0,4. Une telle organisation peut être obtenue par un traitement thermique du composite CIC, préalable à l'imprégnation, à des températures égales ou supérieures à 2200 C. Avantageusement, le substrat fibreux du matériau composite est constitué principalement de tissus de fibres de carbones continues. La bande de frottement (1) selon l'invention peut comprendre un support (4) muni de moyens de fixation (6) permettant de fixer la bande sur un pantographe. Etant données les caractéristiques mécaniques de la bande d'usure (2) selon l'invention, la bande de frottement (1) peut être autoporteuse, c'est-à-dire qu'elle ne comprend pas de support-renfort (4), ce qui permet de simplifier et d'alléger les dispositifs de captage. La bande de frottement selon l'invention peut alors être fixée directement au pantographe (9) ou, comme le montre la figure 5, elle peut être fixée au pantographe (9) à l'aide de moyens de fixation (7, 8, 11), tels qu'un plot de fixation (7), des vis ou boulons (8). Tel qu'illustré à la figure 5b), les moyens de fixation peuvent comprendre un emboîtement de type queue d'aronde (l1) qui permet de faire coopérer la bande d'usure (2) et le plot de fixation (7). La bande de frottement (1) selon l'invention peut comprendre des moyens (3) pour détecter les avaries et/ou l'usure de la bande d'usure. Elle peut également comprendre des moyens de raccordement électriques (5, 6), tels qu'un câble électrique (5) scellé dans la bande d'usure (2) ou une patte métallique (6). Essais comparatifs Plusieurs bandes de frottement en composites C/C imprégné de cuivre selon l'invention ont été fabriquées et mises à l'essai afin de comparer leurs propriétés à celles des bandes de frottement en graphite imprégné de cuivre de l'art antérieur. Le tableau 1 donne, par famille, la structure et la voie de densification des bandes de frottement selon l'invention fabriquées pour ces essais comparatifs. Tableau 1 Famille Architecture du substrat fibreux Origine de la matrice carbonée AI A2 A3 A4 D1 D2 D3 A x x B x x D x x E x x F x x G x x L'architecture AI correspond à des mats de fibres de carbone empilés et aiguilletés entre eux, formant un substrat de type aléatoire, le taux volumique de fibres étant de 16 %. L'architecture A2 correspond à des tissus de fibres de carbone continues, pré- imprégnés, empilés et comprimés entre eux, le taux volumique de fibres étant de 40 %. L'architecture A3 correspond à des tissus de fibres de carbones continues, empilés et aiguilletés entre eux, le taux volumique de fibres étant de 15 %. L'architecture A4 correspond à des tissus de fibres de carbone, coupées et filées, empilés et aiguilletés entre eux, le taux volumique de fibres étant de 15 %. La voie de densification D1 correspond à une voie liquide seule. La voie D2 correspond à une densification par voie gazeuse seule. La voie D3 correspond à une voie de densification gazeuse suivie d'une densification par voie liquide. Chaque famille de bandes de frottement comprend une ou plusieurs bandes ayant subi un certain degré de densification (caractérisé par la porosité résiduelle disponible avant imprégnation) et de graphitisation (caractérisé par les températures de traitement thermique après densification) avant imprégnation de cuivre. La famille E comprend 4 bandes correspondant à des degrés de densification et de graphitisation différents. Le tableau II donne les valeurs de ces paramètres de fabrication pour chaque famille. Tableau II Famille et Porosité résiduelle avant Température du traitement Variantes imprégnation de cuivre thermique avant imprégnation de (en % du volume) cuivre A 16% 2700 C B 31 % 2700 C C 16% 2700 C D 17% 2700 C E-1 53 % 2700 C E-2 53 % 2000 C E-3 36% 2700 C E-4 3 5 % 2000 C F 32% 2700 C G 24% 2700 C L'imprégnation de cuivre a été réalisée suivant le même procédé pour toutes les bandes mises à l'essai, à savoir : un chauffage des bandes sous vide jusqu'à une température de 1200 C, suivi d'une immersion dans un bain de cuivre liquide (sous une pression de 140 bars appliquée sur la surface du bain d'imprégnation), puis le retrait des bandes du bain et le refroidissement des bandes sous une pression d'azote de 100 bars. Les bandes selon l'invention ont été soumises à des essais de frottement dans les conditions suivantes : une force d'appui de 5,6 daN, une intensité de 200 A/cm (cm linéaire) et une vitesse de 15 km/h. Le tableau III donne des résultats obtenus pour les bandes selon l'invention mises à l'essai et les compare à la valeur typique obtenue pour une bande de frottement en graphite imprégné cuivre représentative de l'art antérieur utilisé sur le matériel roulant de plusieurs réseaux ferroviaires européens. Tableau III Bande de Taux d'usure Masse Résistance à Résistivité Résistance à frottement (mm/ 1000 volumique la flexion électrique l'impact mise à km) (g/cm 3) (MPa) (uS2.cm) (test Izod) l'essai (J/cm') Art antérieur 1,2 2,30 85 700 0,09 A 0,27 1,77 46 770 0,7 B 0,l8 2,12 65 650 0,8 C 0,35 1,80 47 730 0,8 D 0,9 1,88 l20 1200 4,1 E-1 0,71 1,77 25 680 1,4 E-2 3,0 1,65 30 970 1,2 E-3 0,05 2,12 40 630 2,4 E-4 0,08 2,01 50 l080 2,1 F 1,2 l,78 48 840 1,3 G 0,28 1,82 53 710 1,8 Les résultats de résistance à l'impact montrent que les bandes selon l'invention sont nettement moins fragiles que celles de l'art antérieur à base de graphite imprégné cuivre, c'est-à-dire que les bandes selon l'invention présentent une résilience satisfaisante pour ne pas casser à la moindre amorce de rupture. Les résultats de ces essais montrent également qu'en général les produits à base de composite CIC imprégné par du cuivre ont des taux d'usure inférieurs à ceux de l'art antérieur à base de graphite imprégné de cuivre (dont l'utilisation est de plus en plus préférée à celle des bandes essentiellement métallique). Avantages Les bandes de frottement selon l'invention permettent de réduire les coûts d'exploitation notamment en raison d'une usure par km qui peut être divisée par un facteur allant jusqu'à 20 ou plus. Les bandes de frottement selon l'invention présentent également l'avantage d'une plus grande sécurité d'exploitation que les bandes de l'art antérieur en graphite imprégné en raison de leur capacité à subir des chocs mécaniques sans casser. Les bandes de frottement selon l'invention présentent en outre la possibilité de simplifier et d'alléger les dispositifs de captage attachés au pantographe en réduisant la taille des supports métalliques nécessaires au soutien des produits graphite fragiles de l'art antérieur, voire en les éliminant. REVENDICATIONS 1. Bande de frottement (1), destinée à la captation de courant depuis un conducteur fixe (10), tel qu'un conducteur aérien ou caténaire, vers un véhicule en mouvement, comprenant une bande d'usure (2) et caractérisée en que la bande d'usure (2) comprend, en tout ou partie, un matériau composite carbone/carbone (C/C) imprégné de cuivre, le matériau composite comprenant un substrat fibreux et une matrice. 2. Bande de frottement (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la porosité résiduelle du matériau composite hors cuivre est comprise entre 5 et 50 environ. 3. Bande de frottement (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le matériau composite possède un degré d'organisation cristalline proche de celui du graphite. 4. Bande de frottement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le substrat fibreux du matériau composite est constitué principalement de tissus de fibres de carbones continues. 5. Bande de frottement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un support (4) muni de moyens de fixation (6). 6. Bande de frottement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la bande d'usure (2) est autoporteuse, c'est-à-dire que la bande de frottement (1) ne comprend pas de support-renfort (4). 7. Bande de frottement (1) selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de fixation (7, 8, 11). 8. Bande de frottement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de détection d'usure et/ou d'avarie (3). 9. Bande de frottement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, " caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de raccordement électriques (5, 6), tels qu'un câble électrique (5) scellé dans la bande d'usure (2). 10. Pantographe comprenant au moins une bande de frottement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.