FR2532037A1 - Isolateur thermique supportant des charges et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN ISOLATEUR THERMIQUE PORTEUR DE CHARGE. L'ISOLATEUR COMPREND DES PARTICULES OU DES FIBRES D'UNE MATIERE THERMIQUEMENT ISOLANTE QUI SONT DISPERSEES DANS UNE MATRICE METALLIQUE; LA MAJORITE DES PARTICULES OU FIBRES 15 ONT LEURS GRANDS AXES ORIENTES DE MANIERE A ENTRAVER L'ECOULEMENT DE LA CHALEUR AU TRAVERS DE LA MATIERE DE MATRICE 14 DANS UNE DIRECTION. POUR LA FABRICATION DE L'ISOLATEUR, ON MELANGE CES PARTICULES AVEC UNE POUDRE METALLIQUE, ON COMPRIME A FROID LE MELANGE PUIS ON LE FRITTE. APPLICATION AUX ELEMENTS DE TRANSMISSION DE POUSSEE DE PISTONS DE FREIN.

Description

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La présente invention concerne un isolateur ther-

-nique supportant des charges perfectionné.

Des matières couramment disponibles qui sont de

bons isolateurs thermiques ne possèdent pas de bonnes pro-

priétés pour supporter des charges Des matières polymères sont deformables et se dégradent lorsqu'elles sont chauffées, tandis que des matières céramiques sont fragiles et ne sont normalement pas appropriées pour un usinage final à des tolérances serrées, comme cela est nécessaire pour certaines

applications techniques.

Un exemple de la nécessité d'utilisation d'un isolateur thermique supportant des charges concerne un système de freinage à disques multiples o il est souhaitable de prévoir des éléments supportant des charges pour transmettre la poussée de pistons hydrauliques aux disques de freinage, ces éléments devant également servir à protéger les pistons et leurs parties hydrauliques d'actionnement contre les

hautes températures engendrées par les surfaces de frotte-

ment Des éléments de poussée utilisés précédemment dans ce but ont été fabriqués à partir de résines phénoliques renforcées par des fibres d'amiante mais celles-ci ont tendance à se dégrader à des températures supérieures à 4000 C qui ont par conséquent une influence perturbatrice

sur leur capacité à supporter des charges.

Une variante qui a été proposée pour ces éléments de poussée consiste à les fabriquer à partir d'un matériau céramique Ce matériau est robuste et peut résister à des températures élevées mais il présente les inconvénients d'être coûteux et fragile et en outre il est très difficile, sinon impossible, d'effectuer un usinage précis, avec des

tolérances serrées, de matériaux céramiques.

Du point de vue de la capacité à supporter des charges, le matériau idéal pour ces éléments de poussée serait un métal -qui soit relativement peu coûteux et qui puisse être profilé et/ou usiné aisément mais la haute conductibilité thermique d'un élément de poussée en métal constitue un inconvénient du fait qu'il transmet facilement de la chaleur au système hydraulique, en produisant une ébullition du fluide avec une réduction de l'efficacité de freinage et un endommagement

possible de composants.

L'invention a pour but principal de créer un matériau qui possède les avantages d'un métal en ce qui con- cerne la capacité à supporter des charges, qui soit d'un faible coût et en outre d'un profilage et d'un usinage aisés tout en constituant néanmoins une barrière thermique efficace. Conformément à la présente invention, il est prévu un isolateur thermique supportant des charges, comprenant des particules ou des fibres d'une matière thermiquement isolante qui sont dispersées dans une matrice métallique, une majorité des particules ou des fibres ayant leur grands axes qui sont orientés de façon à entraver l'écoulement de la chaleur au travers de la matière de matrice dans une direction. L'écoulement de la chaleur dans une pièce se produit d'une zone chaude vers une zone froide et, à moins

qu'elles ne soient dérivées, les lignes d'écoulement sui-

vent le trajet le plus court Dans la matière selon l'in-

vention, les particules ou fibres sont orientées de façon à interrompre et allonger les trajets d'écoulement que

peut suivre la chaleur au travers de la matrice En con-

séquence, les particules ou fibres sont orientées de ma-

nière qu'une majorité d'entre elles soient orientées approximativement normalement à la direction d'écoulement

de la chaleur.

Dans un mode préféré de réalisation de l'inven-

tion, les particules se présentent sous la forme de pla-

quettes ou paillettes de matière céramique qui sont réparties dans la matrice de telle sorte que les plus grandes surfaces d'au moins la plupart d'entre elles soient parallèles dans l'ensemble Dans un élément de transmission de poussée pour un système de freinage, les grandes surfaces d'au moins la majeure partie des plaquettes ou paillettes sont dans l'ensemble parallèles aux surfaces extrêmes de l'élément qui sont destinées à entrer en contact respectivement avec les disques de freinage et le mécanisme hydraulique, ou bien elles font de petits angles aveclesdites surfaces extrêmes. Un procédé préféré de fabrication d'un isolateur thermique supportant des charges conforme à la présente invention consiste à mélanger des paillettes ou des plaquettes d'une matière céramique avec une poudre métallique et à comprimer

à froid le mélange de telle sorte que, dans le-corps résul-

tant, les grandes surfaces d'au moins la majeure partie des baguettes ou plaquettes soient orientées de façon semblable transversalement à la direction d'application de la force de pression Le corps comprimé est ainsi fritté et ensuite

il peut, si nécessaire, être usiné à une forme finale.

Un avantage du procédé de compression à froid et de frittage consiste en ce qu'il crée dans l'élément final un degré de porosité qui, à condition que les vides ne soient pas suffisamment grands pour réduire la rigidité,

contribue à établir les propriétés d'isolation thermique.

Une gamme préférée de porosité est comprise entre 5 et 20 %

en volume -

Une matière de matrice préférée est constituée par de l'acier inoxydable austénitique qui a lui-même une conductibilité thermique relativement faible Une matière

céramique préférée est constituée par des paillettes de mica.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention seront mis en évidence, dans la suite de la descrip-

tion, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels:

la figure 1 est une vue en coupe axiale schéma-

tique montrant une partie d'un ensemble constitué par un piston de frein et un élément de poussée; la figure 2 est une vue en bout de l'ensemble de la figure 1, faite à partir de la droite de la figure 1; et la figure 3 est une vue en coupe schématique, faite dans le même plan que la figure 1 et montrant une partie, représentée à échelle fortement agrandie, de

l'élément de poussée.

Le frein 10 représenté sur les figures 1 et 2 a une forme classique permettant son montage coulissant dans

un cylindre hydraulique d'actionnement de frein (non repré-

senté), l'extrémité avant ll dépassant du cylindre de ma-

nière à entrer en contact avec le disque extrême de stator

d'une pile de disques de stator et rotor en carbone imbri-

qués les uns dans les autres et intervenant dans un frein

d'avion à disques multiples.

L'extrémité avant 11 du piston 10 est évidée de façon à former une douille 12 dans laquelle est fixé un

élément 1-3 porteur de charge et thermiquement isolant.

L'élément 13 peut être emmanché de façon serrée dans la douille 12 ou bien, en variante ou additionnellement, il peut être fixé dans la douille 12 à l'aide d'un adhésif, ou bien on peut utiliser un moyen mécanique additionnel

tel qu'un rivet pour retenir l'élément 13 dans la douille.

L'élément 13 comprend une matrice métallique frittée 14 dans laquelle sont noyées des paillettes 15 de mica Le procédé de fabrication de l'élément 13 est commandé pour faire en sorte que la majorité des paillettes de mica

soient alignées de telle sorte que leurs plans soient orien-

tés parallèlement ou fassent de petits angles avec le plan de la face extrême 16 de l'élément 13 La figure 3 montre schématiquement l'aspect en coupe d'une distribution typique des paillettes de mica 15 dans l'élément 13 et il est à noter que les paillettes de mica de faible conductivité entravent l'écoulement de la chaleur dans la direction axiale de l'élément 13 et allongent ainsi efficacement les trajets le long desquels la chaleur doit s'écouler au travers de la matrice métallique 14 pour que cette chaleur soit transmise axialement au travers de l'élément 13 depuis la face extrême avant 16 jusqu'au corps 17 du piston et par conséquent au fluide hydraulique se trouvant sur l'arrière du piston Un trajet typique d'écoulement

de la chaleur a été indiqué par la ligne en traits inter-

rompus A-A mais il est à noter qu'en pratique les trajets que peut suivre la chaleur sont répartis tridimensionnellement autour des paillettes 15 Les longs trajets d'écoulement de la chaleur en résultant dans la matière de l'élément 13 diminuent efficacement sa conductibilité thermique globale dans la direction axiale et lui confèrent par conséquent des propriétés isolantes tout en conservant les caractéris-

tiques de rigidité et de facilité de profilage et d'usi-

nage de la matrice métallique frittée.

Des paillettes de mica typiques qui se sont avérées appropriées pour la fabrication de l'élément 13 sont constituées par des plaquettes irrégulières ayant, dans des plans correspondant à leur grande surface, des dimensions comprises entre 0,2 et 0,5 mm et des épaisseurs

moyennes comprises entre 0,01 et 0,04 mm.

Dans un mode préféré de réalisation de la présente invention, on a mélangé 20 % en poids de paillettes de mica (une gamme de 10 % à 30 % est appropriée) avec 80 % en poids d'une poudre d'acier inxoydable austénitique (une gamme correspondante de 70 à 90 % est appropriée) Le mélange froid a d'abord été soumis dans un moule à une pression comprise entre 300 et 600 méga-newtons par mètre carré pour profiler l'élément 13, et le corps résultant a été fritté sous vide à une température d'environ 11000 C (une

température comprise entre 1000 et 12000 C est appropriée).

Des échantillons de cette matière qui ont été contrôlés en ce qui concerne la conductibilité thermique ont donné une valeur de 1,75 watt par mètre et par degré centigrade perpendiculairement à la direction de compression et une valeur de 0,67 watt par mètre et par degré centigrade dans la direction de compression Pour un isolateur standard

en résine phénolique/amiante, on a trouvé des valeurs cor-

respondantes de 1,2 dans les deux directions.

Dans cet exemple, la résistance de l'élément 13 dans la direction axiale, mesurée à une température de 5000 C,

a été de 350 méga-newtons par mètre carré.

Dans un autre exemple, on a mélangé 20 % de paillettes de mica (comme cidessus) avec 80 % d'une poudre d'alliage de titane (contenant 5 % d'aluminium et 22 % d'étain) et on a comprimé à froid ce mélange sous une pression de

450 méga-newtons par mètre carré pour profiler l'élément 13.

Le corps résultant a été fritté sous vide à une température de 1100 'C (des gammes de proportions et de températures semblables à celles données dans l'exemple précédent sont appropriées).

Des échantillons de cette matière qui ont été con-

trôlés pour la conductibilité thermique ont donné une valeur de

6,3 watts par mètre et par degré centigrade perpendicu-

lairement à la direction de compression à froid et une valeur de 2,66 watts par mètre et par degré centigrade dans la

direction de compression.

La résistance de l'élément 13 de cet exemple dans

la direction axiale a été de 147 mëga-newtons par mètre carré.

Les exemples précités démontrent que, lors de l'utilisation de la présente invention, on obtient un élément supportant des charges qui est essentiellement métallique et qui possède les qualités intrinsèques de haute résistance et de facilité d'usinage tout en possédant une conductibilité thermique relativement faible dans une direction désirée, ce qui permet de l'utiliser par exemple comme un isolateur

thermique de piston de frein Ce type d'isolateurs'est avéré con-

venir particulièrement pour être utilisé avec des empilages

de disques de frein en carbone.

Comme autres applications possibles d'isolateurs thermiques conformes à l'invention, on peut citer des pistons de moteurs à combustion interne et des isolateurs de moteurs

à turbine à gaz.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1 Isolateur thermique supportant des charges compre-

nant des particules ou des fibres d'une matière thermique-

ment isolante dispersées dans une matrice métallique, caracterisé en ce qu'une majorité des particules ou des fibres ( 15) ont leurs grands axes orientés de manière à entraver l'écoulement de la chaleur au travers de la

matière de matrice ( 14) dans une direction.

2 Isolateur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les particules ( 15) se présentent sous forme de plaquettes ou de paillettes de matière céramique qui sont réparties dans la matrice ( 14) de façon que les grandes surfaces d'une majorité des particules soient essentiellement parallèles ou fassent de petits angles

les unes par rapport aux autres.

3 Isolateur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'il constitue un élément de transmission de

poussée ( 13) pour un système de freinage, les grandes sur-

faces d'au moins la majeure partie des plaquettes ou pail-

lettes étant dans l'ensemble parallèles à, ou faisant de petits angles avec une surface extrême axiale ( 16) de l'élément. 4 Isolateur selonlarevendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les plaquettes ou paillettes ( 15)

sont formées de mica.

Isolateur selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 4, caractérisé en ce que les plaquettes ( 15) sont formées de mica et ont des dimensions, dans les plans de leurs grandes surfaces, rentrant dans la gamme comprise entre 0,2 et 0,5 millimètre et des épaisseurs moyennes

rentrant dans la gamme comprise entre 0,01 et 0,04 millimètre.

6 Isolateur selon l'une quelconque des reven-

dications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière de matrice

( 14) est un acier inoxydable austénitique fritté.

7 Isolateur selon l'une quelconque des reven-

dications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière de matrice

( 14) est un alliage de titane fritté.

8 Isolateur selon l'une quelconque des reven-

dications 4 à 7, caractérisé en ce qu'une certaine quantité de paillettes de mica rentrant dans la gamme comprise entre

et 30 % en poids est dispersée dans une matrice ( 14) for-

mée d'une quantité de poudre frittée rentrant dans la

gamme comprise entre 70 et 90 % en poids.

9 Procédé de fabrication d'un isolateur ther-

mique supportant des charges conforme à l'une quelconque des

revendications précédentes, consistant à mélanger des

paillettes ou plaquettes ( 15) d'une matière céramique avec une poudre métallique et à comprimer à froid le mélange de façon que, dans le corps résultant, les grandes surfaces d'au moins la majeure partie des paillettes ou plaquettes soient orientées essentiellement transversalement à la direction d'application de la force de compression,

le corps comprimé étant ensuite fritté.

Procédé selon la revendication 9, caracté-

risé en ce que le mélange est comprimé à froid dans un moule sous une pression rentrant dans la gamme comprise entre 300 et 600 méga-newtons par mètre carré et en ce

que le corps résultant est fritté sous vide à une tempé-

rature rentrant dans la gamme comprise entre 1000 et 20000 C.