FR2661866A1 - Element de friction multicouches en materiau composite carbone-carbone a texture differentielle et son procede de fabrication. - Google Patents

Element de friction multicouches en materiau composite carbone-carbone a texture differentielle et son procede de fabrication. Download PDF

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Abstract

Elément de friction multicouches comportant une couche de structure (1) en matériau composite carbone-carbone obtenu à partir d'un substrat fibreux à texture dite "grossière" présentant un diamètre poreux médian dépassant 100 mum et pouvant être constitué de segments de mèches de fibre de carbone, au moins une face de cette couche étant recouverte d'une couche de friction (2) en matériau composite carbonecarbone obtenu à partir d'un substrat fibreux à texture dite "fine" présentant un diamètre poreux médian inférieur à 50 mum et constitué de segments de fibres de carbone distribués aléatoirement. Procédé de fabrication d'un élément de friction multicouches comportant la fabrication d'un substrat fibreux à l'aide d'un dispositif automatique de distribution de segments de mèches et/ou de fibres. Application aux freins, pour l'aéronautique en particulier.

Description

ELEMENT DE FRICTION MULTICOUCHES EN MATERIAU COMPOSITE
CARBONE-CARBONE A TEXTURE DIFFERENTIELLE ET SON PROCEDE DE
FABRICATION
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne le domaine des matériaux de friction en matériau composite carbone-carbone et plus précisément des matériaux de friction multicouches entièrement en composite carbone-carbone et présentant une texture différentielle, ainsi qu'un procédé de fabrication d'élément de friction multicouches et un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé.
RAPPEL DE L'ART ANTERIEUR
Les matériaux composites carbone-carbone, qui seront désignés par la suite de manière abrégée sous l'appellation "composites
C-C", ont été reconnus depuis de nombreuses années commme des matériaux de friction particulièrement intéressants notamment dans les freins à haute performance, c'est à dire plus spécialement quand est recherchée une grande puissance de freinage par kilogramme de matériau de friction, dans le domaine des freins pour l'aéronautique en particulier.
D'une manière générale, les composites C-C sont constitués, comme cela est connu, d'un substrat fibreux à base de fibres de carbone et d'une matrice carbonée. Cette dernière peut être obtenue soit par une ou plusieurs imprégnations du substrat fibreux avec une résine suivies de carbonisation, soit par dépôt chimique en phase vapeur de carbone pyrolytique, soit en associant les deux procédés.
En outre, ces composites peuvent subir un traitement thermique à très haute température, dit de graphitisation, typiquement au-dessus de 2300 C.
On connaît déjà des disques de freins présentant un empilement de couches de matériaux carbonés. Ainsi, de nombreux brevets, tels le FR 2 313 601, le FR 2 260 726, l'US 3 936 552, décrivent des disques de freins présentant généralement une couche centrale, ou âme, en carbone ou graphite brut sur laquelle sont fixées des couches de friction en composite C-C offrant une meilleure résistance à l'usure que la partie centrale en carbone ou graphite brut. Une des motivations invoquées pour justifier ce type d'empilement est le coût du carbone ou du graphite brut, inférieur à celui d'un matériau composite C-C.
On connaît aussi grâce au FR 2 225 654 des disques de freins résultant de l'assemblage de plusieurs couches de composites
C-C par des adhésifs ou par des moyens mécaniques de manière à avoir une couche centrale, réutilisable, recouverte d'une couche d'usure, la couche centrale assurant la tenue mécanique et la couche d'usure constituant une plaque d'usure remplaçable.
Cependant,si le FR 2 225 654 décrit bien le concept général et l'intérêt d'un frein multicouche en composite C-C avec une couche assurant la tenue mécanique et une ou plusieurs couches assurant la fonction frottement, ce brevet ne dit pas comment obtenir un frein multicouches à hautes performances techniques, ni comment l'obtenir de manière économique.
OBJET DE L'INVENTION
L'objet de l'invention est un élément de friction multicouches en composite C-C, comprenant une couche de structure et au moins une couche de friction, à haute performance technique et présentant des caractéristiques adaptées aux fonctions de chaque couche, une tenue mécanique élevée et notamment une résilience élevée pour la couche de structure, des propriétés tribologiques intéressantes et notamment un taux d'usure peu élevé pour la/les couche(s) de friction. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication économique de matériaux de friction multicouches ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
Le premier objet de l'invention est un élément de friction multicouches comportant une couche de structure (1) en matériau composite carbone-carbone dont au moins une face est recouverte d'une couche de friction (2) en matériau composite carbone-carbone solidaire de ladite couche de structure (1), éventuellement grâce à une couche de liaison (4), caractérisé en ce que, d'une part, la couche de structure (1) est obtenue à partir d'un substrat fibreux (5g) de fibre de carbone ou de précurseur de carbone, à texture dite "grossière" présentant un diamètre poreux médian dépassant 100 vm et en ce que, d'autre part, la couche de friction (2) est obtenue à partir d'un substrat fibreux (5f) à texture dite "fine" présentant un diamètre poreux médian inférieur à 50 pm et constitué de segments de fibres (6) de carbone ou de précurseur de carbone distribués aléatoirement.
En effet, en vue d'améliorer les performances des éléments de freins en matériau multicouches, la demanderesse a étudié l'influence de la texture des matériaux composites C-C, et en particulier l'influence du substrat fibreux sur les propriétés tant mécaniques que tribologiques. Elle a eu la surprise de faire les constatations suivantes - en ce qui concerne la résilience et donc l'aptitude à résister au choc, un substrat à texture grossière permet d'obtenir des composites présentant une résilience de l'ordre de 40 à 50 kJ/m2, alors qu'un substrat à texture fine conduit à un composite à faible résilience, de l'ordre de 3 à 5 kJ/m2, toutes choses égales par ailleurs.
- certaines caractéristiques mécaniques, telles que le module et la résistance à la rupture, ne varient pas sensiblement avec la texture du substrat fibreux, contrairement à d'autres, telles la résistance à la flexion qui varie de 150 à 200 MPa pour un composite à texture grossière et de 100 à 120 MPa pour un matériau à texture fine.
- en ce qui concerne la résistance à l'usure, il a été constaté qu'un substrat fibreux à texture fine permettait d'obtenir un matériau composite ayant un taux d'usure qui pouvait être jusqu'à 6 fois moins important que celui d'un matériau composite à substrat fibreux grossier.
La demanderesse a donc pu constater avec satisfaction qu'elle avait trouvé un critère de texture permettant, soit de renforcer les caractéristiques mécaniques de la couche de structure en utilisant un substrat fibreux à texture grossière, c'est à dire présentant un diamètre poreux médian supérieur à 100 pm, soit de renforcer les propriétés tribologiques de la couche de friction en utilisant un substrat fibreux à texture fine, c'est à dire présentant un diamètre poreux médian inférieur à 50 fm, de sorte que, en associant des couches de texture différente, il est possible d'obtenir des éléments de freins multicouches optimisés vis à vis des contraintes tant d'ordre mécaniques que tribologiques.
Le critère de texture du substrat fibreux qui a été trouvé concerne la finesse des pores du substrat fibreux tel qu'il est au stade de sa densification, tel qu'il est donc dans le matériau composite final, le substrat fibreux étant en luimême peu altéré par la phase de densification.
Il importe de noter que, pour des raisons purement techniques, la finesse des pores et leur distribution est mesurée non pas sur le substrat fibreux lui-même mais sur ce substrat fibreux après début de densification par depôt de carbone, et plus précisement lorsque sa densité apparente est voisine de 1.
Par diamètre poreux médian supérieur à 100 pm, on signifie que au moins 50 % du volume poreux est constitué de pores ayant un diamètre supérieur à 100 pm. Et, de même, par diamètre médian inférieur à 50 fm, on signifie que au moins 50 % du volume poreux est constitué de pores ayant un diamètre inférieur à 50 pm.
Il convient de noter également que le critère relatif à la finesse des pores est différent de celui relatif à la porosité totale. En effet, la porosité totale, est une grandeur qui n'est pas équivalente à la finesse des pores. Ainsi, lors des essais réalisés par la demanderesse, il a été observé que le substrat fibreux à texture grossière (5g) avait une porosité totale de l'ordre de 30%, alors que le substrat fibreux à texture fine (5f) avait une porosité totale supérieure à 40%, porosité déterminée également après début de densification.
Selon l'invention, on peut utiliser pour la couche de structure (1) un substrat fibreux (5g) constitué de segments de mèches (9) de fibre de carbone ou de précurseur de carbone à répartition spatiale aléatoire. Dans ce cas, le substrat fibreux de l'élément de friction est donc entièrement constitué de segments orientés au hasard (segments de fibres dans la couche de friction, segments de mèches dans la couche de structure) avec une interpénétration des deux types de segments à l'interface des couches de structure et de friction.
Les fibres de carbone ou de précurseur de carbone utilisables pour la fabrication du renfort fibreux selon l'invention se présentent, comme cela est connu, sous forme de mèches de grande longueur constituées d'un grand nombre, typiquement de 1000 à 320000, de fibres élémentaires (6) de carbone ou de précurseur de carbone.
Selon l'invention, le substrat fibreux préféré d'une couche de structure (1) est constitué de segments de mèches (9) de longueur comprise entre 5 et 60 mm et de préférence entre 10 et 40 mm. Dans le cas d'une couche de friction, le substrat fibreux est constitué de segments de fibres (6) de longueur comprise entre 1 et 60 mm et de préférence entre 1 et 20 mm
Par segment de mèche (9), on entend une portion de mèche comprenant un grand nombre de fibres élémentaires sensiblement parallèles et de longueur telle que définie précédemment, ce grand nombre de fibres élémentaires étant peu ou prou celui de la mèche de départ, généralement supérieur à 1000 et pouvant atteindre 320000. Par contre, un segment de fibre (6) correspond idéalement à une seule fibre et pratiquement à un petit nombre de fibres assemblées, nombre typiquement inférieur à 100.
Ainsi, dans le cas d'une couche de friction (2), le substrat fibreux (5f), à base de segments de fibres (6), peut être schématisé par la figure 1-4 et la figure 2-2 où chaque trait représente une fibre élémentaire ou un petit nombre de fibres (inférieur à 100), alors que la figure 1-3 et la figure 2-1 représentent, dans le cas d'une couche de structure (1), un substrat fibreux (5g) à base de segments de mèches (9), c'est à dire à base de "paquets" constitués d'un grand nombre de segments de fibres élémentaires sensiblement parallèles.
Selon l'invention, la matrice carbonée des couches composites, qu'il s'agisse d'une couche de structure ou de friction, n'est pas spécifique à l'invention et résulte, de manière connue, soit d'un dépôt chimique de carbone pyrolytique en phase vapeur, soit d'un ou plusieurs traitements d'imprégnations par une résine conduisant à un taux de carbone élevé après carbonisation, traitements suivi d'une carbonisation, soit de l'association des deux procédés. Un traitement ultérieur de graphitisation est dans chacun des cas possible, comme cela est connu.
Dans le cas où le substrat fibreux à texture grossière est seulement constitué de mèches coupées, on peut donc obtenir un élément de friction multicouches d'une seule pièce, sans discontinuité du substrat fibreux entre la partie contenant un substrat fibreux à texture grossière (5g) et la partie contenant un substrat fibreux à texture fine (5f). Dans ce cas, le substrat fibreux, tout comme la matrice carbonée, est ininterrompu entre une couche de friction (2) et une couche de structure (1) et varie continuement en texture par mélange de texture fine et grossière à l'interface des deux couches, ce qui assure la cohésion maximale entre couche de structure et couche de friction. L'interface entre une couche de friction et une couche de structure est donc un mélange de mèches coupées et de fibres coupées, sur une épaisseur plus ou moins grande.Dans ce cas, il n'y a donc pas de couche de liaison spécifique mais un enchevêtrement ininterrompu de segments de mèches et/ou de fibres dans tout le volume de l'élément de friction, de même, la matrice carbonée est continue sur l'ensemble de l'élément de friction puisque résultant d'une densification globale sur l'ensemble du substrat fibreux, ce qui contribue fortement à la cohésion des diverses couches.
Selon une modalité de l'invention, il est possible d'utiliser comme substrat fibreux de la couche de structure (1), en totalité ou en partie, un substrat fibreux orienté (13), typiquement à base de tissus, de nappes empilées ou de produits tissés en 3 dimensions en fibres de carbone ou de précurseur de carbone, ayant un diamètre poreux médian dépassant 100 pm.
De même, il est possible d'utiliser comme substrat fibreux de la couche de friction (2), en totalité ou en partie, un mat ou un feutre de fibres de carbone ou de précurseur de carbone, ayant un diamètre poreux médian inférieur à 50 pm.
Selon l'invention on peut assembler entre eux différents types de substrats fibreux de manière à former une couche de substrat à texture grossière associée à au moins une couche de substrat à texture fine, et ainsi à obtenir le renfort fibreux de l'élément de friction final, l'assemblage pouvant se faire par tout moyen connu, notamment par aiguilletage, par compression, à l'aide d'encoches, d'adhésifs, etc... ou combinaison de moyens connus. On soumet ensuite le renfort fibreux ainsi obtenu à une densification par dépôt de carbone afin de former une matrice carbonée s'étendant continuement sur l'ensemble des couches de structure et de friction.
On peut aussi obtenir séparement des couches de structure (1) et des couches de friction (2) par densification respectivement de substrat fibreux à texture grossière (5g) et de substrat fibreux à texture fine (5f) et les assembler à l'aide d'une couche de liaison (4) de manière à obtenir l'élément de friction final.
Cette couche de liaison (4) peut être obtenue par tout moyen déjà connu tel que 11 emploi d'une résine à fort taux de carbone après carbonisation ou l'emploi d'un préimprégné comprimé entre les deux pièces à réunir, suivis d'un traitement thermique. Comme cela est connu, il est donc aisé de rénover un élément de friction en remplaçant la couche de friction usée par une couche neuve obtenue selon l'invention.
D'une manière générale, l'invention concerne un élément de frein à texture différentielle qui peut être adaptée à tout problème particulier. La texture différentielle variera généralement selon un axe Z perpendiculaire aux différentes couches comme indiqué précédemment. Cependant il peut y avoir des cas où la texture différentielle pourra varier dans le plan d'une couche, radialement, par exemple pour renforcer la partie centrale d'un disque de frein, comme illustré aux figures 4-3 et 4-4 ou la partie externe, comme illustré aux figure 8-1 et 8-2.
Selon l'invention, 1 'expression "texture différentielle" recouvre donc différents cas de figure. Quelques cas ont été représentés sur les planches 4, 5 et 8 pour illustrer le concept de texture différentielle.
L'invention portant sur les matériaux constitutifs des éléments de friction, les caractéristiques et paramètres les définissant ont surtout été considérés. Cependant, en ce qui concerne les caractéristiques géométriques des éléments de friction selon l'invention, ce sont généralement des disques de diamètre pouvant atteindre, voire dépasser, 600 mm de diamètre extérieur et typiquement pouvant avoir une couche centrale de structure d'épaisseur de l'ordre de 10 - 20 mm, recouverte de deux couches de friction d'épaisseur de l'ordre de 3 - 7 mm.
Comme déjà mentionné, l'invention permet d'obtenir, grâce à la texture différentielle des couches de structure et de friction en composite C-C, des performances spécifiques élevées, c'est à dire considérées par kilogramme d'élément de friction, tant en ce qui concerne les propriétés mécaniques, la résilience notamment, que les propriétés tribologiques, la résistance à 1 'usure principalement.
Le deuxième objet de l'invention est un procédé de fabrication économique de ces éléments de friction en composite carbonecarbone.
Selon une première modalité de l'invention, le procédé de fabrication d'un élément de friction en composite carbonecarbone multicouches constitué d'une couche de structure et d'au moins une couche de friction, comporte une étape de fabrication d'un substrat fibreux à forme géométrique souhaitée, une étape éventuelle de carbonisation si ledit substrat fibreux est en précurseur de fibres de carbone, et une étape de densification dudit substrat fibreux par dépôt de carbone, ladite étape de fabrication du substrat fibreux à forme géométrique souhaitée étant caractérisée en ce que - on fabrique tout ou partie dudit substrat fibreux en introduisant dans un moule (10), éventuellement à l'aide d'un dispositif de distribution, des segments de mèches en fibre de carbone ou de précurseur de carbone de longueur comprise entre 5 et 60 mm pour constituer le substrat fibreux (5g) de la couche de structure (1), des segments de fibres de carbone ou de précurseur de carbone de longueur comprise entre 1 et 60 mm pour constituer le substrat fibreux (5f) de la couche de friction (2), et en comprimant les segments de mèches et de fibres, de manière à obtenir un substrat fibreux (5f, 5g) de densité apparente comprise entre 0,3 et 0,7 et constitué de segments de mèches et/ou de fibres enchevêtrés et orientés aléatoirement.
- on complète éventuellement la fabrication du substrat fibreux en assemblant, notamment par compression, le substrat fibreux obtenu précédemment à une ou plusieurs couches d'autres substrats fibreux, soit à texture fine (5f) pour obtenir une couche de friction (2) en utilisant un mat ou un feutre de fibres de carbone ou de précurseur de carbone, de diamètre poreux médian inférieur à 50 vm, soit à texture grossière (5g) pour obtenir une couche de structure (1) en utilisant une nappe ou tissu en fibre de carbone ou de précurseur de carbone, de diamètre poreux médian supérieur à 100 jim.
Pour mettre en oeuvre l'invention, la demanderesse a mis au point un dispositif de distribution des segments de mèches et/ou de fibres très performant assurant le remplissage automatique du moule.
Ce dispositif de distribution des segments de mèches (9) et/ou de fibres (6) de carbone dans le moule (10) comporte une ou plusieurs tetes de distribution (8), éventuellement accolées, munies de moyens d'alimentation continue ou pas à pas en mèche(s) de fibre de carbone de grande longueur, éventuellement ensimée ou préimprégnée, de moyens pour couper la/les mèches en segments (6,9) de longueur prédéterminée, de moyens éventuels pour faciliter la dispersion des segments obtenus à partir de mèche éventuellement ensimée ou préimprégnée de manière à obtenir des segments de fibres (6), de moyens soit de déplacement de la(des) tete(s) elle(s)même(s) soit de transport des segments obtenus à partir des mèches continues de manière à ce que le remplissage du moule se fasse par couches successives sensiblement horizontales (7) et que le segments (6,9) soient placés en un point précis du moule défini par ses coordonnées (z,p,9), enfin de moyens informatiques pour asservir la proportion de segments de fibres/de mèches (définie par le pourcentage volumique d'une des deux sortes de segments) à la position des segments dans le moule de manière à avoir localement dans l'élément de friction la texture souhaitée selon un programme de remplissage préétabli.
Pour obtenir les segment s de mèches ou de fibres selon l'invention, il importe que les mèches de fibres de carbone restent sous forme de segments de mèches (9) et n'aient pas tendance à se disperser en fibres isolées et, par ailleurs, il importe que les segments de fibres de carbone (6) soient constitués de fibres isolées ou, à défaut, d'un petit nombre de fibres associées. Pour obtenir ces résultats, on coupe des mèches de fibres de carbone ensimées ou éventuellement préimprégnées de résine (ou leurs précurseurs) pour obtenir les segments de mèches (9). On coupe des mèches de fibres de carbone ni ensimées ni préimprégnées, que l'on disperse éventuellement par tout moyen connu tel que par exemple par vibration, pour obtenir des segments de fibres (6) isolées les unes des autres ou à défaut assemblées en petit nombre.
Il est également possible d'obtenir des segments de fibres (6) en utilisant des mèches des fibres de carbone ensimées ou préimprégnées avec des segments de faible longueur. En effet, des essais ont montré que des segments de longueur inférieure à 5 mm, obtenus à partir de mèches ensimées ou préimprégnées, pouvaient être suffisamment dispersés pour permettre la fabrication d'un substrat fibreux à texture fine (5f).
Pour obtenir des segments de mèches et/ou de fibres, on peut donc soit utiliser deux têtes de distribution, une, alimentée en mèche de fibre de carbone ensimée ou préimprégnée, fournissant des segments de mèches (9), l'autre, alimentée en mèche de fibre de carbone ni ensimée ni préimprégnée, fournissant des segments de fibres (6), soit utiliser une seule tête de distribution alimentée en mèche de fibre de carbone ensimée ou préimprégnée.
Des essais préliminaires permettent d'établir, en fonction de divers paramètres et notamment de la longueur des segments découpés, la correspondance entre la hauteur (z) d'une portion de substrat fibreux dans le moule et la hauteur de la même portion dans le substrat fibreux comprimé, c'est à dire en fait dans l'élément de friction lui-même puisque le substrat fibreux comprimé subit peu de changements dimensionnels lors du traitement ultérieur de densification.
Ainsi, l'invention permet d'obtenir un substrat fibreux tridimensionnel à segments de mèches et/ou de fibres enchevêtrées dont la texture est prédéterminé en fonction des coordonnées (z,p, 8) de tout point ou portion de volume dans l'espace occupé par le substrat fibreux. Ce procédé se prête à une automatisation complète, ce qui permet d'obtenir de manière reproductible des substrats fibreux aux profils de texture les plus divers, ce qui permet aussi de changer de fabrication, éventuellement par simple modification du programme de remplissage du moule.
Les planches 4, 5 et 8 illustrent quelques-unes de ces possibilités, notamment le cas simple où le substrat fibreux est constitué de couches à texture homogène, à l'exception des interfaces entre les couches.
Le substrat fibreux a la forme générale du moule qui sera donc cylindrique si l'élément de friction doit avoir la forme d'un disque, ce qui est le cas généralement. Cependant, le procédé permet de fabriquer des substrats fibreux de forme géométrique très variée et par exemple de forme parallélépipédique.
Le substrat fibreux obtenu après remplissage du moule est comprimé de manière à obtenir un substrat fibreux de densité généralement comprise entre 0,3 et 0,7. Dans ces conditions, la porosité du substrat fibreux à texture fine, exprimée en fraction volumique, est comprise entre 40 et 80 % et celle du substrat fibreux à texture grossière est comprise entre 30 et 60 * (mesurée après début de densification).
Après une étape éventuelle de carbonisation dans le cas d'un substrat fibreux en précurseur de fibres de carbone, le substrat fibreux comprimé est ensuite densifié jusqu'à l'obtention de densités comprises entre 1,55 et 1,8 par toute méthode connue, notamment par infiltration et dépôt en phase vapeur de carbone pyrolytique. On obtient donc un élément de friction final ayant une matrice carbonée s'étendant continuement sur l'ensemble des couches de structure et de friction. On peut éventuellement soumettre l'élément de friction à un traitement ultérieur de graphitisation.
Selon une seconde modalité du procédé, la fabrication d'un élément de friction en composite carbone-carbone multicouches constitué d'une couche de structure et d'au moins une couche de friction comporte la fabrication d'une couche de structure (1) en composite carbone-carbone et d'au moins une couche de friction (2) en composite carbone-carbone, leur assemblage par tout moyen connu, notamment par une couche de liaison (4), et est caractérisée en ce qu'on fabrique la couche de structure par dépôt de carbone sur un substrat fibreux (5g) ayant un diamètre poreux médian dépassant 100 pm et que l'on fabrique la couche de friction par dépôt de carbone sur un substrat fibreux (5f) ayant un diamètre poreux médian inférieur à 50 les lessubstrats fibreux étant au préalable carbonisés dans le cas d'un substrat fibreux en précurseur de fibre de carbone.
Le substrat fibreux (5g) peut être obtenu à partir d'une nappe, d'un tissu en fibre de carbone ou de précurseur de carbone, ou à partir de segments de mèches de fibres de carbone ou de précurseurs de carbone, de longueur comprise entre 5 et 60 mm, placés dans un moule à l'aide du dispositif de distribution déjà utilisé puis comprimés jusqu'à obtenir une densité apparente comprise entre 0,3 et 0,7.
Le substrat fibreux (5f) peut être obtenu à partir d'un mat, d'un feutre en fibre de carbone ou de précurseur de carbone, ou à partir de segments de fibres de carbone ou de précurseur de carbone, de longueur comprise entre 1 et 60 mm, placés dans un moule (10) à l'aide du dispositif de distribution déjà utilisé puis comprimés jusqu'à obtenir une densité apparente comprise entre 0,3 et0,7.
Un autre objet de l'invention est le dispositif de distribution de segments de mèches et/ou de fibres déjà décrit.
Il peut comporter deux têtes de distribution, une, alimentée en mèche de fibre de carbone ensimée ou préimprégnée, fournissant des segments de mèches, l'autre, alimentée en mèche de fibre de carbone ni ensimée ni préimprégnée, fournissant des segments de fibres.
Le dispositif de distribution peut aussi comporter une seule tête de distribution, alimentée en mèche de fibre de carbone ensimée ou préimprégnée, fournissant en un endroit donné du moule des segments de mèches de longueur au moins égale à 5 mm et/ou des segments de fibres de longueur inférieure à 5 mm en fonction du programme de remplissage préétabli.
Ce dispositif permet de réaliser de manière reproductible et automatique n'importe quel profil de substrat fibreux à texture variable par "combinaison linéaire" de deux matériaux, l'un à texture fine, l'autre à texture grossière.
Le procédé et le dispositif selon 1 invention présentent de nombreux avantages, outre les avantages techniques de l'élément de friction déjà considérés.
En effet, ils constituent un moyen de fabriquer un substrat fibreux a - d'une texture quelconque prédéterminée b - de manière reproductible c - de manière automatique de sorte qu'il est possible d'obtenir à la fois des éléments de friction "sur mesure", à des prix compétitifs et respectant les exigences de l'assurance qualité. En effet, les matériaux composites doivent dans de nombreux cas satisfaire à un niveau élevé d'assurance qualité, difficilement compatible avec des procédés de fabrication non ou peu automatisés.
Les prix compétitifs résultent de plusieurs éléments : il y a d'une part une économie de matière puisque un disque de friction peut être directement obtenu à la forme désirée, il y surtout d'autre part, le fait d'utiliser des mèches de carbone moins coûteuses que des produits tissés souvent utilisés en pareil cas. Il y a enfin des économies de procédé liées à son automatisation.
DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1-l schématise en coupe transversale un élément de friction multicouches comportant une couche de structure (1) et, de part et d'autre de celle-ci, deux couches de friction (2).
La figure 1-2 est analogue à la figure 1 mais comporte en plus deux couches de liaison (4) pour rendre solidaires la couche de structure (1) et les deux couches de friction (2).
La figure 1-3 schématise la représentation de la texture grossière 5g et de la texture fine 5f qui est utilisée sur les figures 1-1, 1-2, 4-1 à 4-4.
La figure 2-1 schématise une texture grossière 5g constituée de segments de mèches (9).
La figure 2-2 schématise une texture fine 5f constituée de segments de fibres de carbone (fibres unitaires ou petit nombre de fibres unitaires associées) (6).
La figure 3-1 représente en coupe verticale, un moule (10) en cours de remplissage à l'aide de deux têtes de distribution (8) associées, une de segments de fibres et une de segments de mèches. Des moyens informatiques (non représentés sur la figure) avec un programme de remplissage assurent le déplacement des têtes, dont la position est définie par ses coordonnées (z, e p, @), et la distribution de mèches ayant localement la texture voulue, prévue par le programme (fine / grossière / ou intermédiaire), de manière à assurer le remplissage du moule par couches successives (11, 12).
La figure 3-2 est analogue à la figure 3-1, mais le moule présente un orifice central.
La figure 3-3 schématise un substrat fibreux constituée par un empilement de substrat fibreux orienté (13) en tissu ou nappe, inséré entre deux substrats fibreux à texture fine (2).
Les figure 4-1 à 4-4 représentent des coupes selon l'axe Z de différents éléments de friction de géométrie et de texture variable. Les figures 4-1A à 4-3A représentent la texture du substrat fibreux dans le plan AA' perpendiculaire à l'axe Z.
Les figures 5-1 à 5-3 comportent pour chacune d'entre elles la schématisation de la texture du substrat fibreux en coupe ainsi qu'un diagramme portant en abscisse la texture qui va de "f" à '1g'1, "f" représentant la texture fine et "g" la texture grossière, et en ordonnée Z la distance z d'une couche depuis la partie inférieure du substrat fibreux, prise comme origine.
La figure 5-1 présente une discontinuité du substrat fibreux.
Les figures 5-2 et 3 présentent un continuité du substrat fibreux, avec pour la figure 5-2 une zône de mélange des segments demèches et de fibres de faible épaisseur, alors que dans la figure 5-3, le passage de segments de mèches seuls (12) aux couches de segments de fibres seuls (11) se fait progressivement sur une épaisseur relativement grande.
La figure 6 représente un dispositif simplifié qui a été utilisé pour réaliser les exemples 1 à 3 : un moule (10) à orifice central est installé sur un tambour tournant (14). Une tête de distribution (8) découpe et répartit des segments (9,6) soit de mèches soit de fibres selon la nature de la bobine (15) de fibre de carbone, respectivement soit ensimée soit non-ensimée.
La figure 7-1 représente la distribution de la porosité par classe de pores pour le substrat fibreux comprimé à texture grossière. La figure 7-2 représente la même distribution mais pour le substrat comprimé à texture fine.
En abscisse figure le diamètre des pores en um, avec les intervalles de chaque classe de pores (échelle non-linéaire).
En ordonnée figure le pourcentage du volume poreux par classe de pores, rapporté au volume total de l'échantillon.
Les figures 8-1 et 8-2 représentent en coupes selon l'axe Z d'autres exemples d'éléments de friction, avec renforcement périphérique de la couche de structure, contrairement aux figures 4-3 et 4-4 qui ont un renforcement axial.
EXEMPLES
Les exemples qui suivent ainsi que les figures illustrent quelques possibilités de l'invention
EXEMPLE 1 1- Fabrication d'un substrat fibreux, à l'aide du dispositif de la figure 6.
Dans le moule cylindrique (10) de 800 mm de diamètre et de 200 mm de hauteur avec orifice central de 180 mm de diamètre, on a formé une première couche, à texture fine, sur une épaisseur de 60 mm, constituée de segments de fibres. Ces segments de fibres ont étés obtenus à partir d'une mèche de fibre de carbone de grande longueur de 12000 filaments en la coupant en segments de 1 mm de longueur. Cette mèche n'étant ni ensimée, ni préimprégnée, les segments de mèches se sont dispersés en segments de filaments unitaires orientés aléatoirement dans le moule.
On a formé une seconde couche, à texture grossière, sur une épaisseur de 80 mm, constituée de segments de mèches. Ces segments ont été obtenus à partir d'une mèche ensimée de fibre de carbone de grande longueur de 12000 fibres, en la coupant en segments de 20 mm. On a observé que les segments de mèches n'avaient pas tendance à se dissocier.
On a enfin formé une troisième couche identique à la première.
La hauteur totale est d'environ 200 mm.
On a comprimé dans le moule le substrat fibreux ainsi obtenu.
Sa hauteur après compression est de 26 mm. Il est constitué de 3 couches. On a caractérisé chaque type de couche, celle à texture grossière et celle à texture fine après début de densification jusqu'à une densité apparente d'environ 1 - la couche à texture grossière présente une porosité (volume poreux) de 30 %. La distribution du diamètre de ses pores est celle de la figure 7-1. Par simple calcul d'interpolation, on établit que le diamètre poreux médian est voisin de 140 fm. la couche à texture fine présente une porosité de 42 %. La distribution du diamètre de ses pores est celle de la figure 7-2. Son diamètre poreux moyen est voisin de 13 rm.
2- Densification du substrat fibreux obtenu
Le substrat fibreux comprimé, qui est manipulable et qui a sensiblement les dimensions finales de l'élément de friction à obtenir, a été soumis à une étape de densification par dépôt en phase vapeur de carbone pyrolytique à une température de 1050"C.
On obtient ainsi un élément de friction en matériau composite de densité 1,75.
EXEMPLE 2
On a réalisé un élément de friction qui diffère par la couche de structure (1) : on a utilisé une fibre de carbone en mèche de 6000 filaments, au lieu de 12000 dans l'exemple 1. Les autres paramlètres sont restés identiques.
EXEMPLE 3
On a utilisé comme substrat fibreux de la couche de structure (1) à texture grossière un empilement de tissus obtenus à partir de mèches de 3000 filaments. Les autres paramètres sont restés identiques.
PROPRIETES OBTENUES
Sur les différentes couches obtenues de type (1) - à texture grossière, et de type (2) - à texture fine, dans les exemples 1 à 3, on a caractérisé les propriétés intrinsèques de chaque couche.
En particulier, on a mesuré la résilience (conditions classiques : choc d'un pendule sur une éprouvette - énergie du choc de 7,5J), la résistance à la flexion et la vitesse relative d'usure sous faible/forte énergie dissipée.
Résilience Flexion Usure relative
kJ/m2 MPa a(*) b(*)
Couche 1 - EX. 1 50 150 6 20
Couche 1 - EX. 2 41 200 4 18
Couche 1 - EX. 3 40 220 4 24
Couche 2 - EX.1-3 3,5 115 1 12 * la condition "a" correspond à une mesure de vitesse d'usure à faible énergie dissipée, alors que la condition "b" correspond à une mesure avec forte énergie dissipée.
Ces résultats comparatifs sont une illustration du grand intérêt d'une texture différentielle telle que définie dans la présente invention.

Claims (25)

REVENDICATIONS
1 - Elément de friction multicouches comportant une couche de structure (1) en matériau composite carbone-carbone dont au moins une face est recouverte d'une couche de friction (2) en matériau composite carbone-carbone solidaire de ladite couche de structure (1) caractérisé en ce que, d'une part la couche de structure (1) est obtenue à partir d'un substrat fibreux (5g) de fibre de carbone ou de précurseur de fibre de carbone à texture dite "grossière" présentant un diamètre poreux médian supérieur à 100 pm et en ce que, d'autre part la couche de friction (2) est obtenue à partir d'un substrat fibreux (5f) à texture dite "fine" présentant un diamètre poreux médian inférieur à 50 pm et constitué de segments de fibre (6) de carbone ou de précurseur de carbone distribués aléatoirement.
2 - Elément de friction selon la revendication 1 dans lequel la couche de structure (1) est obtenue à partir d'un substrat fibreux (5g) constitué de segments de mèches (9) de fibre de carbone ou de précurseur de carbone distribués aléatoirement.
3 - Elément de friction selon la revendication 2 dans lequel la longueur dudit segment de mèche est comprise entre 5 et 60 mm et celle dudit segment de fibre est comprise entre 1 et 60 mm.
4 - Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 2 à 3 dans lequel le substrat fibreux forme un enchevêtrement ininterrompu de segments, segments de mèches (9) dans la couche de structure (1), segments de fibres (6) dans la couche de friction (2), segments de mèches et de fibres dans des proportions quelconques dans la partie intermédiaire entre la couche de structure et la couche de friction.
5 - Elément de friction selon la revendication 1 dans lequel le substrat fibreux (5g) de la couche de structure (1) comporte un substrat fibreux orienté (13), typiquement à base de tissu, de nappe en fibre de carbone ou de précurseur de carbone.
6 - Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 5 dans lequel le substrat fibreux (5f) de la couche de friction (2) est constitué par un mat, un feutre de fibres de carbone ou de précurseur de carbone.
7 - Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 qui comporte une matrice carbonée s'étendant continuement sur l'ensemble des couches de structure et de friction.
8 - Procédé de fabrication d'un élément de friction en composite carbone-carbone multicouches constitué d'une couche de structure (1) et d'au moins une couche de friction (2), comportant une étape de fabrication d'un substrat fibreux à forme géométrique souhaitée, une étape éventuelle de carbonisation si ledit substrat fibreux est à base de précurseur de fibre de carbone, et une étape de densification dudit substrat fibreux par dépôt de carbone pour former la matrice carbonée, ladite étape de fabrication du substrat fibreux à forme géométrique souhaitée étant caractérisé en ce que - on fabrique tout ou partie dudit substrat fibreux en introduisant dans un moule (10), à l'aide éventuellement d'un dispositif de distribution, des segments de mèches en fibre de carbone ou de précurseur de carbone de longeur comprise entre 5 et 60 mm pour constituer le substrat fibreux (5g) de la couche de structure (1), des segments de fibres de carbone ou de précurseur de carbone de longueur comprise entre 1 et 60 mm pour constituer le substrat fibreux (5f) de la couche de friction (2), et en comprimant les segments de mèches et de fibres, de manière à obtenir un substrat fibreux (5f, 5g) de densité apparente comprise entre 0,3 et 0,7 et constitué de segments de mèches et/ou de fibres enchevêtrés et orientés aléatoirement.
- on complète éventuellement la fabrication du substrat fibreux en assemblant, notamment par compression, le substrat fibreux obtenu précédemment à une ou plusieurs couches d'autres substrats fibreux, soit à texture fine (5f) pour obtenir une couche de friction (2) en utilisant un mat ou un feutre de fibres de carbone ou de précurseur de carbone de diamètre poreux médian inférieur à 50 pm, soit à texture grossière (5g) pour obtenir une couche de structure (1) en utilisant une nappe ou tissu en fibre de carbone ou de précurseur de carbone de diamètre poreux médian supérieur à 100 pm.
9 - Procédé de fabrication selon la revendication 8 dans lequel ledit dispositif de distribution de segments de mèches ou de fibres comporte au moins une tête de distribution (8) de segments de mèches et/ou de fibres, en mouvement relatif par rapport au moule (10) et balayant l'ensemble de la surface horizontale du moule, de manière à remplir progressivement et régulièrement, par couches successives, le moule de segments orientés aléatoirement de mèches (9) et/ou de fibres (6) de carbone tout en maintenant un plan de distribution (7) sensiblement horizontal, la proportion de segments de mèches et/ou de fibres de carbone distribués par la(es)dite(s) tête(s) étant de préférence asservie aux coordonnées (z,,) de la portion de plan de distribution recevant les segments de mèche et/ou de fibres de carbone, de manière à avoir localement dans le moule, et de manière prédéterminée, un substrat fibreux de la texture souhaitée pouvant aller d'une texture fine à diamètre poreux médian inférieur à 50 vm, à une texture grossière à diamètre poreux médian supérieur à 100 pm.
10 - Dispositif de distribution des segments de mèches et/ou de fibres de carbone dans un moule, selon une quelconque des revendications 8 et 9, qui comporte une ou plusieurs têtes de distribution (8), éventuellement accolées, munies de moyens d'alimentation continue ou pas à pas en mèche(s) de fibre de carbone de grande longueur, éventuellement ensimée ou préimprégnée, de moyens pour couper la/les mèches en segments (6,9) de longueur prédéterminée, de moyens éventuels pour faciliter la dispersion des segments obtenus à partir de mèche éventuellement ensimée ou préimprégnée de manière à obtenir des segments de fibres (6), de moyens soit de déplacement de la(des) tête(s) elle(s)-même(s) soit de transport des. segments obtenus à partir des mèches continues de manière à ce que le remplissage du moule se fasse par couches successives sensiblement horizontales (7) et que les segments (6,9) soient placés en un point précis du moule défini par ses coordonnées (Z, p. 6), enfin de moyens informatiques pour asservir la proportion de segments de fibres/de mèches (définie par le pourcentage volumique d'une des deux sortes de segments) à la position des segments dans le moule de manière à avoir localement dans l'élément de friction la texture souhaitée selon un programme de remplissage préétabli.
11 - Dispositif selon la revendication 10 dans lequel on utilise deux têtes de distribution, une, alimentée en mèche de fibre de carbone ensimée ou préimprégnée, fournissant des segments de mèches (9), l'autre, alimentée en mèche de fibre de carbone ni ensimée ni préimprégnée, fournissant des segments de fibres (6).
12 - Dispositif selon la revendication 10 dans lequel on utilise une tête de distribution, alimentée en mèche de fibre de carbone ensimée ou préimprégnée, fournissant en un endroit donné du moule et en fonction du programme de remplissage, des segments de mèche( 9) de longueur au moins égale à 5 mm et/ou des segments de fibres (6) de longueur inférieure à 5 mm.
13 - Elément de friction multicouches comportant une couche de
structure (1) en matériau composite carbone-carbone dont au
moins une face est recouverte d'une couche de friction (2) en
matériau composite carbone-carbone solidaire de ladite couche 5 de structure (1) grâce à une couche de liaison (4),
caractérisé en ce que, d'une part la couche de structure (1)
est obtenue à partir d'un substrat fibreux (5g) de fibre de
carbone ou de précurseur de fibre de carbone à texture dite
"grossière" présentant un diamètre poreux médian supérieur à 10 100 pm et en ce que, d'autre part la couche de friction (2)
est obtenue à partir d'un substrat fibreux (5f) à texture dite
"fine" présentant un diamètre poreux médian inférieur à 50
et constitué de segments de fibre (6) de carbone ou de
précurseur de carbone distribués aléatoirement.
15
14 - Elément de friction selon la revendication 13 dans lequel
la couche de structure (1) est obtenue à partir d'un substrat
fibreux (5g) constitué de segments de mèches (9) de fibre de
carbone ou de précurseur de carbone distribués aléatoirement.
20
15 - Elément de friction selon la revendication 14 dans lequel
la longueur dudit segment de mèche est comprise entre 5 et 60
mm et celle dudit segment de fibre est comprise entre 1 et 60
mm.
25
16 - Elément de friction selon la revendication 13 dans lequel
le substrat fibreux (5g) de la couche de structure (1)
comporte un substrat fibreux orienté (13), typiquement à base
de tissu, de nappe en fibre de carbone ou de précurseur de 30 carbone.
17 - Elément de friction selon l'une quelconque des
revendications 13 à 16 dans lequel le substrat fibreux (5f) de
la couche de friction (2) est constitué par un mat, un feutre 35 de fibres de carbone ou de précurseur de carbone.
18 - Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 13 à 17 comportant une couche de structure (1) et au moins une couche de friction (2) rendues solidaires grâce à une couche de liaison carbonée (4).
19 - Procédé de fabrication d'un élément de friction en composite carbone-carbone multicouches constitué d'une couche de structure et d'au moins une couche de friction, comportant la fabrication d'une couche de structure (1) en composite carbone-carbone et d'au moins une couche de friction (2) en composite carbone-carbone, leur assemblage par tout moyen connu, par une couche de liaison (4), caractérisé en ce qu'on fabrique la couche de structure par dépôt de carbone sur un substrat fibreux (5g) à texture grossière ayant un diamètre poreux médian supérieur à 100 pm et on fabrique la couche de friction par dépôt de carbone sur un substrat fibreux (5f) à texture fine ayant un diamètre poreux médian inférieur à 50 pm, lessubstrats fibreux étant au préalable carbonisés dans le cas d'un substrat fibreux en précurseur de fibre de carbone.
20 - Procédé de fabrication selon la revendication 19 dans lequel ledit substrat fibreux (5g) à texture grossière est obtenu à partir d'une nappe, d'un tissu en fibre de carbone ou de précurseur de carbone, ou à partir de segments de mèches de fibres de carbone ou de précurseur de carbone, de longueur comprise entre 5 et 60 mm, placés dans un moule éventuellement à l'aide d'un dispositif de distribution puis comprimés jusqu'à obtenir une densité apparente comprise entre 0,3 et 0,7.
21 - Procédé de fabrication selon la revendication 19 dans lequel ledit substrat fibreux (5f) à texture fine est obtenu à partir d'un mat, d'un feutre en fibre de carbone ou de précurseur de carbone, ou à partir de segments de fibres de carbone ou de précurseur de carbone, de longueur comprise entre 1 et 60 mm, placés dans un moule (10) éventuellement à l'aide d'un dispositif de distribution puis comprimés jusqu'à obtenir une densité apparente comprise entre 0,3 et 0,7.
22 - Procédé de fabrication selon une quelconque des revendications 19 à 21 dans lequel ledit dispositif de distribution de segments de mèches ou de fibres comporte au moins une tête de distribution (8) de segments de mèches et/ou de fibres, en mouvement relatif par rapport au moule (10) et balayant l'ensemble de la surface horizontale du moule, de manière à remplir progressivement et régulièrement, par couches successives, le moule de segments orientés aléatoirement de mèches (9) et/ou de fibres (6) de carbone tout en maintenant un plan de distribution (7) sensiblement horizontal, la proportion de segments de mèches et/ou de fibres de carbone distribués par la(es)dite(s) tête(s) étant de préférence asservie aux coordonnées (z,p, ) de la portion de plan de distribution recevant les segments de mèche et/ou de fibres de carbone, de manière à avoir localement dans le moule, et de manière prédéterminée, un substrat fibreux de la texture souhaitée pouvant aller d'une texture fine à diamètre poreux médian inférieur à 50 pm, à une texture grossière à diamètre poreux médian supérieur à 100 pm.
23 - Dispositif de distribution des segments de mèches et/ou de fibres de carbone dans un moule, selon une quelconque des revendications 19 à 22, qui comporte une ou plusieurs têtes de distribution (8), éventuellement accolées, munies de moyens d'alimentation continue ou pas à pas en mèche(s) de fibre de carbone de grande longueur, éventuellement ensimée ou préimprégnée, de moyens pour couper la/les mèches en segments (6,9) de longueur prédéterminée, de moyens éventuels pour faciliter la dispersion des segments obtenus à partir de mèche éventuellement ensimée ou préimprégnée de manière à obtenir des segments de fibres (6), de moyens soit de déplacement de la(des) tête(s) elle(s)-même(s) soit de transport des segments obtenus à partir des mèches continues de manière à ce que le remplissage du moule se fasse par couches successives sensiblement horizontales (7) et que les segments (6,9) soient placés en un point précis du moule défini par ses coordonnées (z, p. e), enfin de moyens informatiques pour asservir la proportion de segments de fibres/de mèches (définie par le pourcentage volumique d'une des deux sortes de segments) à la position des segments dans le moule de manière à avoir localement dans l'élément de friction la texture souhaitée selon un programme de remplissage préétabli.
24 - Dispositif selon la revendication 23 dans lequel on utilise deux têtes de distribution, une, alimentée en-mèche de fibre de carbone - ensimée ou préimprégnée, fournissant des segments de mèches (9), l'autre, alimentée en mèche de fibre de carbone ni ensimée ni préimprégnée, fournissant des segments de fibres (6).
25 - Dispositif selon la revendication 23 dans lequel on utilise une tête de distribution, alimentée en mèche de fibre de carbone ensimée ou préimprégnée, fournissant en un endroit donné du moule et en fonction du programme de remplissage, des segments de mèche(-9) de longueur au moins égale à 5 mm et/ou des segments de fibres (6) de longueur inférieure à 5 mm.
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