FR2674587A1 - Friction pads made of carbon-carbon composite material with differential texture, methods and devices for manufacturing them - Google Patents
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Abstract
Description
ELEMENTS DE FRICTION EN MATERIAU COMPOSITE CARBONE-CARBONE A
TEXTURE DIFFERENTIELLE, PROCEDES ET DISPOSITIFS POUR LES
FABRIQUER
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'éléments de friction multicouches et un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé. L'invention complète la demande française N" 9006488.FRICTION ELEMENTS OF CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIAL
DIFFERENTIAL TEXTURE, METHODS AND DEVICES FOR
MANUFACTURING
FIELD OF THE INVENTION
The invention relates to the field of friction materials made of carbon-carbon composite material and more specifically multi-layer friction materials made entirely of carbon-carbon composite and having a differential texture, as well as a method of manufacturing multilayer friction elements and a device for implementing this method. The invention completes the French application No. 9006488.
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 comme 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.REMINDER OF THE PRIOR ART
Composite carbon-carbon materials, which will be referred to hereafter abbreviated as "composites
CC ", have been recognized for many years as particularly interesting friction materials especially in high performance brakes, that is to say more especially when is sought a high braking power per kilogram of friction material, in the field brakes for aeronautics in particular.
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 ou un brai suivies de carbonisation, soit par dépôt chimique en phase vapeur de carbone pyrolytique, soit en associant les deux procédés.In general, the composites C-C consist, as is known, of a fibrous substrate based on carbon fibers and a carbon matrix. The latter can be obtained either by one or more impregnations of the fibrous substrate with a resin or a pitch followed by carbonization, or by chemical vapor deposition of pyrolytic carbon, or by combining the two processes.
En outre, ces composites peuvent subir un traitement thermique à très haute température, dit de graphitisation, typiquement au-dessus de 2300 C. In addition, these composites can undergo a heat treatment at very high temperature, called graphitization, typically above 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 et 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 couche centrale en carbone ou en 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.Brake discs having a stack of layers of carbonaceous materials are already known. Thus, numerous patents, such as FR 2 313 601, FR 2 260 726 and US Pat. No. 3,936,552 describe brake discs generally having a core layer, or core, made of carbon or crude graphite on which layers are fixed. DC composite friction system offering better wear resistance than the carbon or raw graphite core layer. One of the motivations invoked to justify this type of stack is the cost of carbon or crude graphite, lower than that of a composite material 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.Also known from FR 2,225,654 brake discs resulting from the assembly of several layers of composites
CC by adhesives or by mechanical means so as to have a central layer, reusable, covered with a wear layer, the central layer ensuring the mechanical strength and the wear layer constituting a replaceable wear plate.
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.However, although FR 2 225 654 describes the general concept and the interest of a multilayer composite DC brake with a layer providing mechanical strength and one or more layers providing the friction function, this patent does not say how to obtain a multilayer brake with high technical performance, nor how to obtain it economically.
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 avantageuses et notamment un taux d'usure peu élevé pour la/les couche(s) de friction.OBJECT OF THE INVENTION
The object of the invention is a composite multilayer friction element CC, comprising a structural layer and at least one friction layer, with high technical performance and having characteristics adapted to the functions of each layer, a high mechanical strength and in particular, high resilience for the structural layer, advantageous tribological properties and in particular a low wear rate for the friction layer (s).
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication économique de matériaux de friction multicouches ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé.The invention also relates to a method for the economical manufacture of multilayer friction materials and a device for carrying out the method.
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) caractérisé en ce que, d'une part, la couche de structure (1) est obtenue à partir d'un substrat fibreux à texture dite "grossière" (5g) présentant un diamètre de pores médian supérieur à 100 pm et constitué de mèches de fibre de carbone ou de précurseur de fibre de carbone 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 de pores médian inférieur à 50 rm et constitué de segments de fibres (6) de carbone ou de précurseur de carbone distribués aléatoirement.DESCRIPTION OF THE INVENTION
The first object of the invention is a multilayer friction element comprising a structural layer (1) made of carbon-carbon composite material, at least one face of which is covered with a friction layer (2) made of carbon-carbon composite material. of said structural layer (1) characterized in that, on the one hand, the structural layer (1) is obtained from a so-called "coarse" texture fibrous substrate (5g) having a median upper pore diameter at 100 μm and constituted by carbon fiber or carbon fiber precursor strands and that, on the other hand, the friction layer (2) is obtained from a fibrous substrate (5f) with a so-called texture "Fine" having a median pore diameter of less than 50 μm and consisting of randomly distributed carbon fiber or carbon precursor segments (6).
En effet, en vue d'améliorer les performances des éléments de friction en matériau multicouches, la demanderesse a étudié l'influence de la texture des matériaux composite 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 (5g) permet d'obtenir des composites présentant une résilience de l'ordre de 40 à 50 kJ/m2, alors qu'un substrat à texture fine (5f) conduit à un composite à faible résilience, de l'ordre de 3 à 5 kJ/m2, toutes choses égales par ailleurs.Indeed, in order to improve the performance of friction elements of multilayer material, the Applicant has studied the influence of the texture of composite materials C-C, and in particular the influence of the fibrous substrate on both mechanical and tribological properties. She had the surprise to make the following observations - as far as the resilience and thus the ability to withstand the shock is concerned, a coarse textured substrate (5g) makes it possible to obtain composites having a resilience of the order of 40 at 50 kJ / m2, whereas a fine-textured substrate (5f) leads to a low-resilience composite, of the order of 3 to 5 kJ / m2, all things being equal.
- 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 40 à 120 MPa pour un matériau à texture fine.certain mechanical properties, such as modulus and tensile strength, do not vary substantially with the texture of the fibrous substrate, unlike others, such as the flexural strength which varies from 150 to 200 MPa for a composite to coarse texture and 40 to 120 MPa for a fine textured material.
- 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 à texture grossière.with regard to the wear resistance, it has been found that a fine-textured fibrous substrate makes it possible to obtain a composite material having a wear rate which could be up to 6 times less than that of a coarse textured fibrous substrate composite material.
Les études réalisées par la demanderesse ont montré le rôle capital joué par le substrat fibreux et ont permis de trouver un critère de texture du substrat fibreux permettant, soit de renforcer les caractéristiques mécaniques de la couche de structure en utilisant un substrat fibreux à texture grossière, soit de renforcer les propriétés tribologiques de la couche de friction en utilisant un substrat fibreux à texture fine à segments de fibres orientées aléatoirement, 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 mécaniques que tribologiques.The studies carried out by the Applicant have shown the essential role played by the fibrous substrate and have made it possible to find a criterion of texture of the fibrous substrate making it possible either to reinforce the mechanical characteristics of the structural layer by using a coarse-textured fibrous substrate. either to reinforce the tribological properties of the friction layer by using a finely textured fibrous substrate with randomly oriented fiber segments, so that, by combining layers of different texture, it is possible to obtain optimized multilayer brake elements against both mechanical and tribological constraints.
Par diamètre de pores médian supérieur à 100 pm, on signifie qu' au moins 50 % du volume de pores est constitué de pores ayant un diamètre supérieur à 100 pm. Et, de même, par diamètre de pores médian inférieur à 50 pm, on signifie qu'au moins 50 * du volume de pores est constitué de pores ayant un diamètre inférieur à 50 pm. By median pore diameter greater than 100 μm, it is meant that at least 50% of the pore volume consists of pores with a diameter greater than 100 μm. And, similarly, a median pore diameter of less than 50 μm means that at least 50% of the pore volume consists of pores with a diameter of less than 50 μm.
Pour des raisons pratiques, on mesure le diamètre de pores non pas sur le substrat fibreux tel que fabriqué selon l'invention, mais sur ce substrat fibreux après début de densification par dépôt de carbone, de manière à pouvoir manipuler le substrat fibreux sans l'altérer et avoir ainsi des mesures significatives et comparatives. A titre indicatif, un substrat fibreux obtenu selon l'invention et de densité apparente de 0,6 devient manipulable en vue d'une mesure de diamètre de pores lorsque sa densité passe, par dépôt de carbone, à 0,9 environ, sachant que la densité apparente finale est de l'ordre de 1,8 en fin de densification. For practical reasons, the pore diameter is measured not on the fibrous substrate as manufactured according to the invention, but on this fibrous substrate after beginning densification by deposition of carbon, so as to be able to handle the fibrous substrate without the alter and thus have meaningful and comparative measures. As a guide, a fibrous substrate obtained according to the invention and having an apparent density of 0.6 becomes manipulable for a pore diameter measurement when its density passes, by carbon deposition, to about 0.9, knowing that the final apparent density is of the order of 1.8 at the end of densification.
Il convient de noter que finesse des pores et porosité totale (ou volume de pores) sont deux grandeurs différentes qui peuvent varier indépendamment l'une de l'autre. Ainsi, lors des essais réalisés par la demanderesse, il a été observé que le substrat à texture grossière (5g) avait une porosité totale inférieure à celle du substrat à texture fine ((f). Par exemple, comme indiqué à l'exemple 1, le substrat à texture grossière (5g) a une porosité de 30% (pourcentage du volume total), alors que celle du substrat fibreux à texture fine (5f) a une porosité totale de 42%, déterminée également après début de densification.It should be noted that the fineness of the pores and the total porosity (or pore volume) are two different sizes which can vary independently of one another. Thus, in the tests carried out by the Applicant, it was observed that the coarse textured substrate (5g) had a total porosity lower than that of the fine textured substrate ((f), for example, as indicated in Example 1 the coarse-textured substrate (5g) has a porosity of 30% (percent of the total volume), while that of the fine-textured fibrous substrate (5f) has a total porosity of 42%, also determined after beginning of densification.
Selon une première modalité de l'invention, le substrat fibreux est entièrement constitué de segments orientés aléatoirement : - segments de fibres (6) de carbone ou de précurseur de carbone formant le substrat fibreux à texture dite fine (5f) de la couche de friction (2), - segments de mèches (9) de fibre de carbone ou de précurseur de carbone formant le substrat fibreux à texture dite grossière (5g) de la couche de structure (1).According to a first embodiment of the invention, the fibrous substrate consists entirely of segments randomly oriented: carbon fiber segments (6) or carbon precursor forming the so-called fine-textured fibrous substrate (5f) of the friction layer (2), - segments of wicks (9) of carbon fiber or carbon precursor forming the so-called coarse texture fibrous substrate (5g) of the structural layer (1).
Selon l'invention, la longueur dudit segment de mèche est comprise entre 5 et 60 mm et celle dudit segment de fibre est comprise entre 0,05 et 60 mm.According to the invention, the length of said wick segment is between 5 and 60 mm and that of said fiber segment is between 0.05 and 60 mm.
le substrat fibreux de la couche de friction (5f) peut être constitué avantageusement par des fibres de carbone broyées, comprenant des segments de fibres (6) de longueur moyenne comprise entre 0,2 et 2 mm.the fibrous substrate of the friction layer (5f) may advantageously consist of crushed carbon fibers, comprising fiber segments (6) with an average length of between 0.2 and 2 mm.
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 la forme de mèches de grande longueur constituées d'un grand nombre de fibres parallèles, typiquement de 1000 à 320000 fibres élémentaires de carbone ou de précurseur de carbone, chaque fibre ayant un diamètre généralement compris entre 5 et 12 ym. The carbon or carbon precursor fibers that can be used for the manufacture of the fibrous reinforcement according to the invention are, as is known, in the form of long strands consisting of a large number of parallel fibers, typically from 1000 to 320000 elementary carbon or carbon precursor fibers, each fiber having a diameter generally between 5 and 12 ym.
Selon l'invention, le substrat fibreux d'une couche de structure (1) est constitué de mèches de fibres de carbone ou de précurseur de carbone. Par mèche, on entend un grand nombre de fibres élémentaires qui est peu ou prou celui de la mèche de départ, généralement supérieur à 1000 et pouvant atteindre 320000.According to the invention, the fibrous substrate of a structural layer (1) consists of strands of carbon fibers or carbon precursor. By wick means a large number of elementary fibers which is more or less that of the starting wick, generally greater than 1000 and up to 320000.
Par segment de mèche (9), on entend une portion de mèche comprenant un grand nombre de fibres élémentaires sensiblement parallèles et de longueur comme défini précédemment.By wick segment (9) is meant a wick portion comprising a large number of substantially parallel elementary fibers and of length as defined above.
Par contre, le substrat fibreux d'une couche de friction est constitué de segments de fibre (6), chaque segment de fibre étant de longueur comme défini précédemment et correspondant idéalement à une seule fibre et en pratique à un petit nombre de fibres assemblées, nombre typiquement inférieur à 100.On the other hand, the fibrous substrate of a friction layer consists of fiber segments (6), each fiber segment being of length as previously defined and ideally corresponding to a single fiber and in practice to a small number of assembled fibers. number typically less than 100.
Ainsi, dans le cas d'une couche de friction (2), le substrat fibreux (su), 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.Thus, in the case of a friction layer (2), the fibrous substrate (su), based on fiber segments (6), can be shown schematically in FIG. 1-4 and FIG. represents an elementary fiber or a small number of fibers (less than 100), while FIG. 1-3 and FIG. 2-1 represent, in the case of a structural layer (1), a fibrous substrate (5g) based on segments of wicks (9), ie based on "packets" consisting of a large number of substantially parallel elementary fiber segments.
Un substrat fibreux constitué seulement de segments de mèches ou de fibres forme un enchevêtrement ininterrompu de segment s de mèches/de fibres et permet d'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), et sans discontinuité non plus de la matrice carbonée. Dans ce cas, le substrat fibreux est ininterrompu entre la couche de friction (2) et la couche de structure (1) et varie continuement en texture par mélange et interpénétration de segments à texture fine et à texture grossière à l'interface des deux couches, ce qui assure la cohésion maximale entre une couche de friction et une couche de structure.A fibrous substrate consisting of only segments of wicks or fibers forms an uninterrupted entanglement of wick / fiber segments and provides a one-piece multilayer friction element without discontinuity of the fibrous substrate between the portion containing a coarse-textured fibrous substrate (5g) and the portion containing a fine-textured fibrous substrate (5f), and without discontinuity of the carbonaceous matrix either. In this case, the fibrous substrate is uninterrupted between the friction layer (2) and the structural layer (1) and continuously varies in texture by mixing and interpenetration of fine-textured and coarse-textured segments at the interface of the two layers which ensures the maximum cohesion between a friction layer and a structural layer.
Il n'y a donc pas dans ce cas de couche de liaison spécifique, par exemple une couche d'adhésif, entre une couche de structure et une couche de friction, mais seulement, à l'interface, un enchevêtrement ininterrompu de segments de mèches et de fibres sur une épaisseur plus ou moins grande.In this case, there is therefore no specific bonding layer, for example an adhesive layer, between a structural layer and a friction layer, but only at the interface, an uninterrupted entanglement of segments of wicks. and fibers to a greater or lesser thickness.
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.Similarly, the carbon matrix is continuous over the entire friction element since it results from an overall densification of the entire fibrous substrate, which contributes greatly to the cohesion of the various layers.
Selon une autre modalité de l'invention, le substrat fibreux de l'élément de friction en composite C-C peut comprendre aussi un matériau carboné sous forme de nappe - qui sera, dans le cas de la couche de structure, un substrat fibreux orienté (13), typiquement à base de tissus, ou de produits tissés en 3 dimensions obtenus à partir de mèches de fibres de carbone ou de précurseur de carbone, permettant d'obtenir, éventuellement après compression, un diamètre de pores médian supérieur à 100 rm. According to another embodiment of the invention, the fibrous substrate of the composite friction element CC may also comprise a carbon material in the form of a web - which will be, in the case of the structural layer, an oriented fibrous substrate (13). ), typically based on fabrics, or 3-dimensional woven products obtained from strands of carbon fibers or carbon precursor, to obtain, possibly after compression, a median pore diameter greater than 100 rm.
- qui sera, dans le cas de la couche de friction, un mat ou un feutre de carbone ou de précurseur de carbone constitué par un enchevêtrement de fibres idéalement élémentaires et permettant d'obtenir, éventuellement après compression, un diamètre de pores médian inférieur à 50 )Im. which will be, in the case of the friction layer, a mat or a felt of carbon or carbon precursor constituted by an entanglement of ideally elementary fibers and making it possible, possibly after compression, to obtain a median pore diameter less than 50) Im.
Enfin, selon un autre objet de l'invention, l'élément de friction peut être obtenu à partir d'un substrat fibreux "mixte" constitué - soit par un substrat fibreux constitué d'un empilement de tissus de carbone ou précurseur de carbone pour la couche de structure (1) et par un substrat fibreux constitué de segments de fibres selon l'invention, et de préférence de fibres broyées pour la couche de friction (2), - soit par un substrat fibreux constitué de segments de mèches pour la couche de structure (1) et par un substrat fibreux constitué par un mat ou un feutre pour la couche de friction (2).Finally, according to another object of the invention, the friction element can be obtained from a "mixed" fibrous substrate constituted either by a fibrous substrate consisting of a stack of carbon fabrics or carbon precursor for the structural layer (1) and a fibrous substrate consisting of fiber segments according to the invention, and preferably crushed fibers for the friction layer (2), or by a fibrous substrate consisting of segments of wicks for the layer of structure (1) and a fibrous substrate consisting of a mat or a felt for the friction layer (2).
D'une manière générale, l'invention concerne un élément de frein dont le substrat fibreux présente une texture différentielle qui peut être adaptée à tout problème particulier. Cette texture différentielle repose essentiellement sur la présence soit de mèches dans la couche de structure (1), soit de fibres, idéalement élémentaires, dans la couche de friction (2), et dépend donc du nombre de fibres élémentaires agglomérées localement, un tissu étant considéré comme constitué de mèches, et un feutre ou un mat comme constitué de fibres. Ce nombre est typiquement au moins 10 fois plus grand dans le cas d'une mèche ( > 1000) que dans le cas d'une fibre ( < 100) selon l'invention.In general, the invention relates to a brake element whose fibrous substrate has a differential texture that can be adapted to any particular problem. This differential texture is based essentially on the presence of either strands in the structural layer (1) or fibers, ideally elementary, in the friction layer (2), and therefore depends on the number of elementary fibers agglomerated locally, a fabric being considered as wicks, and a felt or mat as fiber. This number is typically at least 10 times greater in the case of a wick (> 1000) than in the case of a fiber (<100) according to the invention.
Cette texture 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 pour renforcer la partie externe, comme illustré aux figures 8-1 et 8-2.This texture will generally vary along a Z axis perpendicular to the different layers as indicated above. However, there may be cases where the differential texture may vary in the plane of a layer, radially, for example to strengthen the central portion of a brake disc, as illustrated in FIGS. 4-3 and 4-4 or to strengthen the outer portion, as shown in Figures 8-1 and 8-2.
Selon 1' invention, l'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. According to the invention, the expression "differential texture" thus covers different cases. Some cases have been shown on plates 4, 5, and 8 to illustrate the concept of differential texture.
Que le substrat fibreux (5g) à texture grossière soit constitué de mèches (tissus) ou de segments de mèches, sa densité apparente avant densification est comprise entre 0,3 et 0,7, alors que celle du substrat fibreux à texture fine est comprise entre 0,05 et 0,3. La densité apparente globale du substrat fibreux (5g) et (5f) est comprise entre 0,1 et 0,7.Whether the coarse-textured fibrous substrate (5g) consists of wicks (fabrics) or wick segments, its apparent density before densification is between 0.3 and 0.7, while that of the fine-textured fibrous substrate is comprised between 0.05 and 0.3. The overall bulk density of the fibrous substrate (5g) and (5f) is between 0.1 and 0.7.
Le substrat fibreux (5g) représente de 10 à 50 % en volume du composite C-C constituant la couche de structure (1), alors que le substrat fibreux (5f) représente de 3 à 25 % en volume du composite C-C constituant la couche de friction (2).The fibrous substrate (5g) represents from 10 to 50% by volume of the composite CC constituting the structural layer (1), while the fibrous substrate (5f) represents from 3 to 25% by volume of the composite CC constituting the friction layer (2).
Selon l'invention, la matrice carbonée du composite C-C multicouches, qu'il s'agisse d'une couche de structure ou de friction, n'est pas spécifique à l'invention et résulte, de manière connue, de la densification du substrat fibreux comprimé, soit par dépôt chimique de carbone pyrolytique en phase vapeur, soit par un ou plusieurs traitements d'imprégnation par une résine ou un brai conduisant à un taux de carbone élevé après carbonisation, traitements suivis d'une carbonisation, soit de l'association des deux procédés. Après densification, l'élément de friction selon l'invention est un matériau composite C-C de densité comprise entre 1,55 et 1,8, qui peut éventuellement être soumis à un traitement ultérieur de graphitisation.According to the invention, the carbon matrix of the multilayered DC composite, whether it be a structural or friction layer, is not specific to the invention and results, in known manner, from the densification of the substrate compressed fiber, either by pyrolytic carbon chemical deposition in the vapor phase, or by one or more impregnation treatments with a resin or a pitch resulting in a high carbon content after carbonization, treatments followed by carbonization, or by combination of the two processes. After densification, the friction element according to the invention is a composite material C-C with a density of between 1.55 and 1.8, which may optionally be subjected to a subsequent graphitization treatment.
L'invention concerne également des éléments de frictions constitués par un assemblage de couches de structure (1) en composite C-C et de couches de friction (2) en composite C-C, obtenues respectivement par densification de substrat fibreux à texture grossière (5g) et de substrat fibreux à texture fine (5f), l'assemblage pouvant être réalisé par tout moyen connu, notamment par une couche de liaison (4).The invention also relates to friction elements consisting of an assembly of CC composite structure layers (1) and CC composite friction layers (2) obtained respectively by densification of coarse textured fibrous substrate (5g) and fine-textured fibrous substrate (5f), the assembly being able to be carried out by any known means, in particular by a connecting layer (4).
De préférence, on utilise comme couche de liaison (4) une résine conduisant par chauffage à la formation d'une couche carbonée, généralement poreuse. L'élément de friction obtenu par assemblage peut avoir une matrice carbonée continue sur l'ensemble de l'élément de friction car il est avantageux d'assembler des couches de structure et de friction ayant une porosité résiduelle et de terminer la fabrication de l'élément de friction par un dépôt de carbone de manière à densifier l'ensemble des couches ainsi que la couche de liaison (4). Preferably, a resin is used as a bonding layer (4) which, by heating, forms a carbonaceous layer, which is generally porous. The friction element obtained by assembly can have a continuous carbon matrix on the whole of the friction element because it is advantageous to assemble structural and friction layers having a residual porosity and to finish the manufacture of the friction element by a carbon deposit so as to densify all the layers and the bonding layer (4).
L'invention permet d'obtenir des éléments de friction qui se présentent généralement sous forme de disques de diamètre pouvant atteindre, voire dépasser, 600 mm (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.The invention makes it possible to obtain friction elements that are generally in the form of discs with a diameter that can reach or exceed 600 mm (outside diameter) and that typically can have a central layer with a thickness structure of the order of 10 - 20 mm, covered with two layers of friction of the order of 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.As already mentioned, the invention makes it possible to obtain, by virtue of the differential texture of the structure and friction layers of composite DC, high specific performances, ie considered per kilogram of friction element, both in terms of which concerns the mechanical properties, the resilience in particular, that the tribological properties, the wear resistance mainly.
Comme cela est connu, il est donc possible de rénover un élément de friction en remplaçant la couche de friction usée par une couche neuve obtenue selon l'invention.As is known, it is therefore possible to renovate a friction element by replacing the worn friction layer with a new layer obtained according to the invention.
En outre, l'élément de friction selon l'invention présente, en particulier dans le cas d'un substrat fibreux constitué de segments de mèches ou de fibres, l'avantage de ne pas comporter d'absence locale de substrat à l'échelle des dimensions du substrat local, c'est à dire au sein d'un volume maximum d'environ 0,05 mm3 pour un substrat fibreux à texture fine et d'environ 5 mm3 pour un substrat à texture grossière.In addition, the friction element according to the invention has, in particular in the case of a fibrous substrate consisting of segments of locks or fibers, the advantage of not having a local absence of substrate at the scale. dimensions of the local substrate, ie within a maximum volume of about 0.05 mm 3 for a fine textured fibrous substrate and about 5 mm 3 for a coarse textured substrate.
Le deuxième objet de l'invention est un procédé de fabrication économique de ces éléments de friction en composite C-C.The second object of the invention is a process for the economical manufacture of these composite friction elements C-C.
Selon une première modalité, le 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), comporte 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 est caractérisée en ce qu'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 0,05 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 globale comprise entre 0,1 et 0,7 et constitué de segments de mèches et/ou de fibres enchevêtrés et orientés aléatoirement.According to a first modality, the method of manufacturing a multilayer carbon-carbon composite friction element consisting of a structure layer (1) and at least one friction layer (2) comprises a step of manufacturing a a fibrous substrate with a desired geometric shape, a possible carbonization step If said fibrous substrate is based on carbon fiber precursor, and a step of densifying said fibrous substrate by depositing carbon to form the carbon matrix, said manufacturing step the desired geometrically shaped fibrous substrate is characterized in that all or part of said fibrous substrate is made by introducing into a mold (10), possibly using a distribution device, segments of carbon fiber locks. or carbon precursor of length between 5 and 60 mm to form the fibrous substrate (5g) of the structural layer (1), carbon fiber segments or carbon precursor of length between 0.05 and 60 mm to constitute the fibrous substrate (5f) of the friction layer (2), and compressing the segments of locks and fibers, so as to obtain a fibrous substrate (5f, 5g) with an overall bulk density of between 0.1 and 0.7 and consisting of segments of wicks and / or fibers entangled and randomly oriented.
Le substrat fibreux comprimé 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 à section de forme géométrique quelconque.The compressed fibrous substrate has the general shape of the mold, which will therefore be cylindrical if the friction element should be in the form of a disc, which is the case generally. However, the method makes it possible to manufacture fibrous substrates with any geometrical shape section.
Selon une variante de cette première modalité, on forme seulement une partie du substrat fibreux à partir de segments de mèches et/ou de fibres et on complète sa préparation par adjonction d'éléments découpés à partir de nappes en carbone ou précurseur de carbone, nappes constituées de tissus ou de feutre/mat selon que l'on souhaite un substrat fibreux à texture grossière ou fine. Ces différentes parties de substrat peuvent être assemblées à l'aide d'adhésifs ou par compression. Une fois formé, le substrat fibreux global est soumis à un traitement de densification par dépôt de carbone. According to a variant of this first modality, only a portion of the fibrous substrate is formed from segments of locks and / or fibers and its preparation is completed by adding cut elements from carbon or carbon precursor webs, tablecloths. made of fabrics or felt / mat according to whether a fibrous substrate with coarse or fine texture is desired. These different substrate parts can be assembled using adhesives or compression. Once formed, the overall fibrous substrate is subjected to densification treatment by carbon deposition.
Selon une deuxième modalité, le 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, 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, tel 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 de pores médian supérieur à 100 rm et on fabrique la couche de friction par dépôt de carbone sur un substrat fibreux (5f) à texture fine ayant un diamètre de pores médian inférieur à 50 pm, les substrats fibreux étant au préalable carbonisés dans le cas d'un substrat fibreux en précurseur de fibre de carbone.According to a second embodiment, the method for producing a multilayer carbon-to-carbon composite friction element consisting of a structural layer and at least one friction layer comprises the manufacture of a structural layer (1). in carbon-carbon composite and at least one carbon-carbon composite friction layer (2), their assembly by any known means, such as a tie layer (4), characterized in that the structural layer is manufactured by depositing carbon on a coarsely textured fibrous substrate (5g) having a median pore diameter of greater than 100 μm and producing the friction layer by depositing carbon on a fine-textured fibrous substrate (5f) having a pore diameter median less than 50 pm, the fibrous substrates being previously carbonized in the case of a fibrous substrate precursor carbon fiber.
Le 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.The coarsely textured fibrous substrate (5g) is obtained from a web, carbon fiber fabric or carbon precursor, or from carbon fiber or carbon precursor segments, length of between 5 and 60 mm, placed in a mold possibly using a dispensing device and then compressed until an apparent density of between 0.3 and 0.7.
Le 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 0,05 et 60 mm, placés dans un moule (10), éventuellement à l'aide d'un dispositif de distribution, puis éventuellement comprimés jusqu'à obtenir une densité apparente comprise entre 0,05 et 0,3. The fine-textured fibrous substrate (5f) is obtained from a mat, a carbon fiber felt or a carbon precursor, or from carbon fiber or carbon precursor segments, of length between 0.05 and 60 mm, placed in a mold (10), possibly using a dispensing device, then optionally compressed to obtain an apparent density of between 0.05 and 0.3.
Cette deuxième modalité peut donc être avantageusement utilisée pour la rénovation d'éléments de friction usés ne comportant plus en pratique qu'une couche de structure (1) en composite C-C. Mais il est également possible de rénover un élément de friction usé en soumettant à une densification par dépôt de carbone une couche de structure (1) en composite C-C revêtue d'au moins une couche de substrat fibreux (5f) à texture fine, cette modalité constituant en quelque sorte un panachage des deux modalités précédentes.This second modality can therefore be advantageously used for the renovation of worn friction elements which in practice have only one structural layer (1) made of composite C-C. But it is also possible to renovate a worn friction element by subjecting a layer of structure (1) of composite CC coated with at least one layer of fibrous substrate (5f) with a fine texture to carbon densification, this modality constituting in a way a mixture of the two preceding modalities.
Pour mettre en oeuvre l'invention dans le cas où le substrat fibreux comprend des segments de mèche ou de fibres, la demanderesse a mis au point un dispositif de distribution des segments de mèches et/ou de fibres très performant pour la mise en oeuvre du procédé, assurant le remplissage automatique du moule.To implement the invention in the case where the fibrous substrate comprises wick or fiber segments, the applicant has developed a device for distributing wick segments and / or high performance fibers for the implementation of the invention. process, ensuring the automatic filling of the mold.
Selon l'invention, le 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,,0) 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, après compression éventuelle, d'une texture fine à diamètre de pores médian inférieur à 50 jim, à une texture grossière à diamètre de pores médian supérieur à 100 rm. According to the invention, the wick or fiber segment distribution device comprises at least one distribution head (8) of wick segments and / or fibers, in relative movement with respect to the mold (10) and sweeping the together the horizontal surface of the mold, so as to fill gradually and regularly, in successive layers, the mold segments randomly oriented strands (9) and / or carbon fibers (6) while maintaining a distribution plane (7). ) substantially horizontal, the proportion of segments of wicks and / or carbon fibers distributed by the (es) said (s) head (s) being preferably slaved to the coordinates (z ,, 0) of the distribution plan portion receiving the wick segments and / or carbon fibers, so as to locally have in the mold, and in a predetermined manner, a fibrous substrate of the desired texture that can go, after possible compression, a fine texture with a pore diameter me dian less than 50 μm, with a coarse texture with a median pore diameter greater than 100 μm.
Ce dispositif de distribution comporte une ou plusieurs têtes de distribution (8), éventuellement accolées, munies de moyens d'alimentation continue ou pas à pas en mèche(s) de fibres 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 enfin ), enfinde 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.This dispensing device comprises one or more dispensing heads (8), optionally contiguous, provided with continuous feed means or step by step in tow (s) of carbon fibers of great length, possibly sized or pre-impregnated, means for cutting the wick (s) into segments (6, 9) of predetermined length, possible means for facilitating the dispersion of the segments obtained from wick, optionally sized or pre-impregnated so as to obtain fiber segments (6), means of either movement of the head (s) it (s) itself (s) is transporting the segments obtained from the continuous wicks so that the filling of the mold is done in substantially horizontal layers successive (7) and that the segments (6,9) are placed in a precise point of the mold defined by its coordinates finally), enfinde computer means to enslave the proportion of segments of fibers / wicks (defined by the a volume percentage of one of the two kinds of segments) at the position of the segments in the mold so as to locally have in the friction element the desired texture according to a preset filling program.
Le dispositif peut avoir deux têtes de distribution, une, alimentée en mèche de fibres de carbone ensimée ou préimprégnée, fournissant des segments de mèches (9), l'autre, alimentée en mèche de fibres de carbone ni ensimée ni préimprégnée, fournissant des segments de fibres (6).The device may have two dispensing heads, one fed with carbon fiber wicks sized or pre-impregnated, providing segments of wicks (9), the other supplied with wick of carbon fibers neither sized nor pre-impregnated, providing segments. of fibers (6).
Cette dernière tête peut, selon une variante, être alimentée en fibres broyées de carbone ou de précurseur de carbone, fournissant des segments de fibres (6).The latter head may, alternatively, be supplied with crushed carbon fibers or carbon precursors, providing fiber segments (6).
Selon une modalité du dispositif, il peut avoir une seule tête de distribution, alimentée en mèche de fibres 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.According to a modality of the device, it can have a single dispensing head, fed with wick of carbon fiber, sized or pre-impregnated, providing at a given location of the mold and depending on the filling program, wick segments (9) of length at least 5 mm and / or fiber segments (6) less than 5 mm in length.
Dans ce cas, la tête est munie d'un moyen pour couper les mèches à longueur prédéterminée et munie d'un moyen de dispersion des segments de mèche, activable lorsque des segments de fibres (6) doivent être déposés dans le moule. In this case, the head is provided with a means for cutting the locks to a predetermined length and provided with a means for dispersing the wick segments, which can be activated when fiber segments (6) are to be deposited in the mold.
Pour obtenir les segments de mèches (9) selon l'invention, il importe que les mèches de fibres de carbone (ou de précurseur) restent sous forme de mèche et n'aient pas tendance à se disperser en fibres isolées. Pour cela, on coupe des mèches de fibres de carbone (ou précurseur) de préférence ensimées ou préimprégnées de résine.In order to obtain the segments of wicks (9) according to the invention, it is important that the carbon fiber (or precursor) wicks remain in the form of wicks and have no tendency to disperse into isolated fibers. For this, cut carbon fiber strands (or precursor) preferably sized or pre-impregnated with resin.
Pour obtenir les segments de fibres (6) selon l'invention, il importe au contraire que les segments de fibres soient constitués de fibres isolées, ou, à défaut, d'un petit nombre de fibres associées. Pour cela, on coupe ou on broie des mèches de fibres de carbone (ou précurseur de carbone) de préférence ni ensimées, ni préimprégnées.To obtain the fiber segments (6) according to the invention, on the contrary, it is important for the fiber segments to consist of isolated fibers, or, failing that, of a small number of associated fibers. For this purpose, carbon fiber (or carbon precursor) locks are preferably cut or ground preferably neither sized nor pre-impregnated.
Cependant, des essais ont montré que des segments de fibres (6) pouvaient aussi être obtenus à partir de segments de mèches ensimées ou préimprégnées de courte longueur, moyennant des moyens de dispersion suffisants pour disperser ces segments de mèches en segments de fibres.However, tests have shown that fiber segments (6) can also be obtained from segments of short-length sized or pre-impregnated tows by means of dispersing means sufficient to disperse these segments of locks into fiber segments.
Il peut être avantageux d'alimenter la tête destinée à délivrer des segments de fibres (6) non pas en mèche de grande longueur mais directement en segments de fibres.It may be advantageous to feed the head intended to deliver fiber segments (6) not in long strand but directly in fiber segments.
En effet, des segments de fibres de courte longueur moyenne, typiquement inférieure à 1 mm, peuvent être obtenus par broyage de chutes ou résidus divers de fibres, ce qui constitue une source d'approvisionnement particulièrement économique.In fact, segments of fibers of short average length, typically less than 1 mm, can be obtained by crushing falls or various residues of fibers, which constitutes a particularly economical source of supply.
La fibre de carbone broyée se présente sous forme d'une poudre que l'on peut véhiculer et déplacer soit par gravité, soit par entraînement pneumatique, soit enfin sous forme d'une dispersion dans un liquide. Dans ce cas, afin que soit évacué, de préférence par le fond du moule, le gaz ou le liquide support de la poudre, le fond du moule sera percé de trous et éventuellement muni de moyens permettant l'aspiration du gaz ou du liquide à travers le fond du moule.The crushed carbon fiber is in the form of a powder that can be conveyed and moved either by gravity or pneumatic drive, or finally in the form of a dispersion in a liquid. In this case, so that the gas or the liquid supporting the powder is evacuated, preferably from the bottom of the mold, the bottom of the mold will be pierced with holes and possibly provided with means allowing the suction of the gas or the liquid to be removed. through the bottom of the mold.
Des essais préliminaires ont permis d'établir, en fonction des divers paramètres et notamment de la longueur des segments de mèches ou de fibres, 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.Preliminary tests made it possible to establish, according to the various parameters and in particular the length of the segments of locks or fibers, the correspondence between the height (z) of a portion of fibrous substrate in the mold and the height of the same portion in the compressed fibrous substrate, ie in fact in the friction element itself since the compressed fibrous substrate undergoes few dimensional changes during the subsequent densification treatment.
AVANTAGES
Outre les avantages techniques déjà considérés de l'élément de friction, le procédé et dispositif selon l'invention présentent eux aussi de nombreux avantages.ADVANTAGES
In addition to the technical advantages already considered of the friction element, the method and device according to the invention also have many advantages.
Le dispositif selon l'invention permet de réaliser de manière reproductible et automatique n'importe quel profil de substrat fibreux à texture variable par "commbinaison linéaire" de deux matériaux, l'un à texture fine, l'autre à texture grossière.The device according to the invention makes it possible to reproducibly and automatically reproduce any profile of fibrous substrate with variable texture by "linear comminution" of two materials, one with a fine texture, the other with a coarse texture.
L'invention permet d'obtenir un substrat fibreux tridimensionnel à segments de mèches et/ou de fibres enchevêtrés dont la texture est prédéterminée en fonction des coordonnées (z,p,8) de tout point ou portion de volume dans l'espace occupé par le substrat fibreux constituant le renfort de l'élément de friction. The invention makes it possible to obtain a three-dimensional fibrous substrate with segments of locks and / or entangled fibers whose texture is predetermined according to the coordinates (z, p, 8) of any point or portion of volume in the space occupied by the fibrous substrate constituting the reinforcement of the friction element.
Ce procédé se prête donc à une automatisation complète, ce qui permet aussi de changer de fabrication, éventuellement par simple modification du programme de remplissage du moule.This process therefore lends itself to complete automation, which also makes it possible to change production, possibly simply by modifying the filling program of the mold.
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 par plan (fig. 41, 4-2, 5-2).Plates 4, 5, and 8 illustrate some of these possibilities, particularly the simple case where the fibrous substrate consists of homogeneously textured layers per plane (Fig. 41, 4-2, 5-2).
L'invention constitue donc un moyen de fabriquer de manière reproductible et automatique des éléments de friction présentant un substrat fibreux à texture quelconque prédéterminée, 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.The invention thus constitutes a means of reproducibly and automatically producing friction elements having a fibrous substrate with any predetermined texture, so that it is possible to obtain both "custom-made" friction elements, competitive prices and respecting the requirements of quality assurance.
En effet, ces éléments de friction doivent, dans de nombreux cas, satisfaire à un niveau élevé d'assurance qualité, difficilement compatible avec des procédés de fabrication peu ou pas automatisés, sachant que dans la fabrication d'un matériau composite, la matrice continue pose moins de problèmes de qualité que le substrat dicontinu.Indeed, these friction elements must, in many cases, meet a high level of quality assurance, hardly compatible with manufacturing processes little or not automated, knowing that in the manufacture of a composite material, the matrix continues poses less quality problems than the continuous substrate.
Les prix compétitifs résultent de plusieurs éléments économie de matière puisqu'un élément de friction peut être directement obtenu à la forme désirée, possibilité d'utiliser des mèches de carbone moins coûteuses que les tissus ou des fibres broyées de carbone, à leur tour moins coûteuses que les mèches de carbone, enfin économie du procédé lié à son automatisation.Competitive prices result from several material saving elements since a friction element can be directly obtained in the desired shape, possibility of using cheaper carbon locks than fabrics or crushed carbon fibers, in turn cheaper that carbon wicks, finally economy of the process related to its automation.
DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1-1 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).DESCRIPTION OF THE FIGURES
Figure 1-1 shows in cross section a multilayer friction element having a structural layer (1) and, on either side thereof, two friction layers (2).
La figure 1-2 est analogue à la figure 1-1 mais comporte en plus deux couches de liaison (4) pour rendre solidaires la couche de structure (1) et les deux couches de friction (2).Figure 1-2 is similar to Figure 1-1 but further comprises two connecting layers (4) to make integral the structural layer (1) and the two friction layers (2).
La figure 1-3 schématise la texture grossière 5g et la figure 1-4 schématise la texture fine 5f, représentations utilisées sur les figures 1-1, 1-2, 4-1 à 4-4.Figure 1-3 schematizes the coarse texture 5g and Figure 1-4 schematizes the fine texture 5f, representations used in Figures 1-1, 1-2, 4-1 to 4-4.
La figure 2-1 schématise une texture grossière 5g constituée de segments de mèches (9).Figure 2-1 shows a coarse texture 5g consisting of segments of wicks (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).Figure 2-2 shows a fine texture 5f consisting of carbon fiber segments (unitary fibers or small number of associated unit fibers) (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 du moule, assurent le déplacement des têtes, dont la position est définie par ses coordonnées (z,p,8, et la distribution de mèches produisant localement la texture voulue, prévue par le programme (fine /grossière / ou intermédiaire par mélange des deux textures), de manière à assurer le remplissage du moule par couches successives (11, 12).Figure 3-1 shows in vertical section, a mold (10) being filled with two associated distribution heads (8), one of fiber segments and one of wick segments. Computer means (not shown in the figure), with a program for filling the mold, ensure the displacement of the heads, whose position is defined by its coordinates (z, p, 8, and the distribution of wicks producing locally the desired texture , provided by the program (fine / coarse / or intermediate by mixing the two textures), so as to ensure the filling of the mold in successive layers (11, 12).
La figure 3-2 est analogue à la figure 3-1, mais le moule présente un orifice central.Figure 3-2 is similar to Figure 3-1, but the mold has a central hole.
La figure 3-3 schématise le cas où la couche de structure (1) est constituée par un empilement de substrat fibreux orienté (13) qui est introduit dans le moule au cours du remplissage.FIG. 3-3 schematizes the case where the structure layer (1) consists of a stack of oriented fibrous substrate (13) which is introduced into the mold during filling.
Les figures 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.Figures 4-1 to 4-4 show sections along the Z axis of different friction elements of geometry and variable texture. Figs. 4-1A through 4-3A show the texture of the fibrous substrate in the AA 'plane perpendicular to the Z axis.
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 "g", "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.Figures 5-1 to 5-3 comprise for each of them the schematization of the texture of the fibrous substrate in section and a diagram bearing on the abscissa the texture which goes from "f" to "g", "f" representing the fine texture and "g" the coarse texture, and in the ordinate Z the distance z of a layer from the lower part of the fibrous substrate taken as origin.
La figure 5-1 présente une discontinuité du substrat fibreux.Figure 5-1 shows a discontinuity of the fibrous substrate.
Les figures 5-2 et 5-3 présentent une continuité du substrat fibreux, avec pour la figure 5-2 une zone de mélange des segments de mèches et de fibres, de faible épaisseur, alors que dans la figure 5-3, le passage de la couche de segments de mèches seuls (12) aux couches de segments de fibres seuls (11) se fait progressivement sur une épaisseur relativement grande.FIGS. 5-2 and 5-3 show a continuity of the fibrous substrate, with for FIG. 5-2 a zone of mixing of segments of wicks and fibers, of small thickness, whereas in FIG. from the single wick segment layer (12) to the single fiber segment layers (11) is progressively made over a relatively large thickness.
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 ensimée ou non).Fig. 6 shows a simplified device which has been used to make examples 1 to 3. A central orifice mold (10) is installed on a rotating drum (14). A dispensing head (8) cuts and distributes segments (9, 6) either of strands or fibers according to the nature of the carbon fiber coil (15) (respectively sized or not).
La figure 7-1 représente la distribution de la porosité par classe de pores pour le substrat fibreux comprimé à texture grossière de l'exemple 1. La figure 7-2 représente la même distribution mais pour le substrat comprimé à texture fine.Figure 7-1 shows the porosity distribution by pore class for the coarse textured compressed fibrous substrate of Example 1. Figure 7-2 shows the same distribution but for the fine textured compressed substrate.
En abscisse, figure le diamètre des pores en rm, avec les intervalles de chaque classe de pores (échelle non-linéaire).The abscissa shows the diameter of the pores in rm, with the intervals of each class of pores (non-linear scale).
En ordonnée, figure le pourcentage du volume de pores par classe de pores, rapporté au volume total de l'échantillon.On the ordinate is the percentage of pore volume per pore class, based on the total volume of the sample.
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.FIGS. 8-1 and 8-2 show, in cross-section along the Z axis, other examples of friction elements, with peripheral reinforcement of the structural layer, contrary to FIGS. 4-3 and 4-4 which have a reinforcement 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.EXAMPLES
The examples which follow, as well as the figures, illustrate some possibilities of the invention.
Example 1 1- Manufacture of a Fibrous Substrate Using the Device of FIG. 6
Dans un moule cylindrique (10) de 800 mm de diamètre et de 200 mm de hauteur avec un 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 été obtenus à partir d'une mèche de fibre de carbone de grande longueur, à 12000 fibres élémentaires, en la coupant en segments de 1 mm de longueur.In a cylindrical mold (10) 800 mm in diameter and 200 mm in height with a central orifice 180 mm in diameter, a first layer, with a fine texture, was formed to a thickness of 60 mm, consisting of segments of fibers. These fiber segments were obtained from a long length of carbon fiber wick at 12,000 elementary fibers, cutting it into segments of 1 mm in length.
Cette mèche n'étant ni ensimée, ni préimprégnée, les segments de mèches sont dispersables en segments de fibres élémentaires orientés aléatoirement dans le moule.Since this wick is neither sized nor preimpregnated, the segments of wicks are dispersible in elementary fiber segments randomly oriented in the mold.
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 fibres de carbone de grande longueur, à 12000 fibres élémentaires en la coupant en segments de 20 mm. On a observé que les segments de mèches n'avaient pas tendance à se dissocier.A second, coarse-textured, 80 mm thick layer of wick segments was formed. These segments were obtained from a tow of carbon fiber long length, 12,000 elementary fibers by cutting into segments of 20 mm. It was observed that the wick segments did not tend to dissociate.
On a enfin formé une troisième couche identique à la première.Finally, a third layer was formed identical to the first one.
La hauteur totale est d'environ 200 mm.The total height is about 200 mm.
On a comprimé dans le moule le substrat fibreux ainsi obtenu.The fibrous substrate thus obtained was compressed into the mold.
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 par dépôt de carbone jusqu'à une densité apparente d'environ 0,9
La couche à texture grossière présente une porosité (volume de pores) 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 de pores médian est voisin de 140 pm. Its height after compression is 26 mm. It consists of 3 layers. Each type of layer, coarse and fine textured, was characterized after densification by carbon deposition to a bulk density of about 0.9
The coarse-textured layer has a porosity (pore volume) of 30%. The diameter distribution of its pores is that of Figure 7-1. By simple calculation of interpolation, it is established that the median pore diameter is close to 140 pm.
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 de pores moyen est voisin de 13 pm. The fine-textured layer has a porosity of 42%. The diameter distribution of its pores is that of Figure 7-2. Its average pore diameter is around 13 μm.
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 10500C. 2- Densification of the fibrous substrate obtained
The compressed fibrous substrate, which is manipulable and has substantially the final dimensions of the friction element to be obtained, has been subjected to a step of densification by pyrolytic carbon vapor deposition at a temperature of 10500C.
On obtient ainsi un élément de friction en matériau composite de densité 1,75.A friction element of 1.75 density composite material is thus obtained.
Exemple 2
On a réalisé un élément de friction qui diffère par la couche de structure (1) : on a utilisé une mèche de 6000 fibres élémentaires au lieu de 12000 dans l'exemple 1. Les autres paramètres sont restés identiques.Example 2
A friction element was made which differed in the structural layer (1): a wick of 6000 elementary fibers was used instead of 12000 in Example 1. The other parameters remained identical.
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 fibres élémentaires. Les autres paramètres sont restés identiques.Example 3
The fibrous substrate of the coarse texture structure layer (1) is a stack of fabrics obtained from wicks of 3000 elementary fibers. The other parameters remained the same.
Exemple 4
On a utilisé comme substrat fibreux des couches de friction à texture fine de l'exemple 1, de la poudre de fibres de carbone broyées constituée de segment s de fibres de longueur moyenne de tordre de 200 pm. Example 4
As the fibrous substrate, fine-textured friction layers of Example 1, crushed carbon fiber powder consisting of fiber segments having a mean length of twist of 200 μm were used.
On a utilisé un moule à fond perforé de manière à pouvoir introduire la poudre de fibres de carbone sous forme de dispersion en milieu aqueux, ce qui limite les nuisances dues aux poussières.A perforated bottom mold was used so that the carbon fiber powder could be introduced as a dispersion in an aqueous medium, which limits the nuisance caused by dust.
Après compression, on a obtenu un substrat fibreux de 27 mm d'épaisseur constitué d'une couche centrale à texture grossière de 17 mm d'épaisseur et de densité apparente de 0,5, et constituée de deux couches latérales à texture fine de chacune 5 mm d'épaisseur et de densité apparente de 0,15. Sa densité apparente globale est de 0,175.After compression, a 27 mm thick fibrous substrate was obtained consisting of a coarse-textured core layer 17 mm thick and having an apparent density of 0.5, and consisting of two fine-textured side layers of each 5 mm thick and bulk density of 0.15. Its overall apparent density is 0.175.
Les autres éléments de l'essai sont ceux de l'exemple 1.The other elements of the test are those of Example 1.
Propriétés des éléments de friction obtenus (ex. 1 à 4)
Sur les différentes couches obtenues de type (1) (à texture grossière), et de type (2) (à texture fine), on a caractérisé les propriétés intrinsèques de chaque couche. Properties of the friction elements obtained (eg 1 to 4)
On the different layers obtained of type (1) (coarse texture) and type (2) (fine texture), the intrinsic properties of each layer have been characterized.
En particulier, on a mesuré la résilience (conditions classiques : choc d'un pendule sur une éprouvette avec énergie du choc de 7,5 J ), la résistance à la flexion et la vitesse relative d'usure sous faible ou forte énergie dissipée.In particular, the resilience (conventional conditions: shock of a pendulum on a test specimen with impact energy of 7.5 J), the flexural strength and the relative speed of wear under low or high dissipated energy were measured.
Resilience 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
Couche 2 - Ex. 4 2,5 45 0,3 10 (*) 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.Resilience Flexion Relative Wear
kJ / m2 MPa a (*) b (*)
Layer 1 - Ex. 1 50 150 6 20
Layer 1 - Ex. 2 41 200 4 18
Layer 1 - Ex. 3 40 220 4 24
Layer 2 - Ex. 1-3 3.5 115 1 12
Layer 2 - Ex. 4 2.5 45 0.3 10 (*) Condition "a" corresponds to a measurement of wear speed with low energy dissipated, while condition "b corresponds to a measurement with high energy dissipated .
Ces résultats comparatifs sont une illustration du grand intérêt d'une texture différentielle telle que définie dans la présente invention. These comparative results are an illustration of the great interest of a differential texture as defined in the present invention.
Il est important de noter en particulier la faible usure constatée dans le cas de la couche de friction (2) obtenue avec de la poudre de fibre de carbone broyée. La demanderesse ayant observé que l'orientation des segments de fibres était d'autant plus aléatoire que les segments étaient courts et que la croîssance du pyrocarbone, lors de l'opération de densification par dépôt de carbone en phase vapeur, avait lieu parallèlement à l'orientation des segments de fibres, elle a émis l'hypothèse que le taux d'usure de la couche de friction était sans doute lié à l'orientation des segments de fibres. It is important to note in particular the low wear observed in the case of the friction layer (2) obtained with crushed carbon fiber powder. The applicant having observed that the orientation of the fiber segments was all the more random as the segments were short and that the growth of the pyrocarbon, during the carbon vapor deposition densification operation, took place parallel to the The orientation of the fiber segments suggested that the wear rate of the friction layer was probably related to the orientation of the fiber segments.
Claims (24)
Priority Applications (8)
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---|---|---|---|
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EP19910420150 EP0459916B1 (en) | 1990-05-10 | 1991-05-06 | Carbon-carbon composite material friction elements having a differential texture, processes and devices for their fabrication |
CA002041921A CA2041921A1 (en) | 1990-05-10 | 1991-05-07 | Differential texture carbon-carbon composite material friction elements, and processes and means for their fabrication |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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FR2674587B1 (en) | 1995-05-05 |
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