Frottement Réactif et Instrumentation Numérique : Comportement mécanochimique des composites C/C lors de freinage à Haute Énergie – FReIN

La fonction d’un frein est de convertir une énergie cinétique en énergie thermique puis de la dissiper. L’élévation de température induite est liée à la masse et à la capacité calorifique du matériau de friction. En aéronautique où les énergies à dissiper sont élevées et les gains de poids déterminants, ce sont les freins en composites carbone/carbone (C/C) qui sont les plus performants. Sur les gros porteurs, ils ont presque totalement remplacé les freins classiques en acier car ils présentent une exceptionnelle résistance mécanique en température, une capacité calorifique deux fois supérieure à celle de l’acier et ils présentent une durée de vie nettement plus élevée que pour les freins acier.

Il a été observé que l'environnement gazeux avait une influence importante sur le facteur de frottement et sur l'usure des composites C/C. Dans le cadre de quatre thèses de doctorat réalisées en collaboration entre Messier-Bugatti et d’une part l'Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M), et d’autre part le Centre de Recherche de la Matière Divisée (CRMD) et le Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (LaMCoS) il a été démontré que les matériaux carbonés soumis aux sollicitations mécaniques spécifiques de la tribologie (pression quasi-hydrostatique et gradient de cisaillement) développaient une réactivité de surface très importante. Cette réactivité fait interagir le matériau et son environnement chimique (réactions de chimi-sorption) ce qui couple actions mécaniques et chimiques avec pour conséquence des influences déterminantes sur le facteur de frottement et l’usure.

D'autre part, des études réalisées sur un matériau modèle (graphite) ont permis de mettre en place une méthodologie d’étude du couplage matériau / chimie très pertinente en se basant sur l'analogie entre les phénomènes se déroulant dans un broyeur et dans un freinage de haute énergie. Partant de là, l’objectif de ce projet est d’utiliser le broyage sous conditions mécaniques et chimiques contrôlées comme un problème modèle qui permettra de découpler et de comprendre l’enchaînement des actions mécano-chimiques responsables du frottement et de l’usure des composites C/C. Pour cela le comportement de la matière lors du broyage sera simulé par éléments discrets. Cette simulation qui prendra en compte les aspects mécanique, thermique et chimique, servira d’instrumentation numérique afin d’assurer la transition entre les phénomènes locaux (adhésion, frottement inter-particule...) et les mesures globales effectuées à l’échelle du broyeur qui sera spécifiquement instrumenté. Les résultats obtenus seront validés sur un banc d’essais industriel ainsi que sur un tribomètre pion / disque équipé d’un spectromètre de masse permettant l’analyse des gaz dans le contact.

Les résultats attendus sont scientifiquement très importants, c'est en effet l’une des premières fois qu'il sera possible de caractériser quantitativement les interactions mécano-chimiques se déroulant lors de la dégradation mécanique d'un matériau (réactivité de surface, cinétiques chimique et mécanique, influence de la température). C'est un point essentiel pour comprendre l'évolution du facteur de frottement et de l'usure lors du freinage des matériaux carbonés. Le second apport très important sera d'obtenir une description quantitative de la composante adhésive du frottement à prendre en compte dans une modélisation par éléments finis décrivant l'évolution de la structure du matériau sous sollicitations tribologiques.
Sur le plan de l'application, cette étude permettra de comprendre plusieurs phénomènes qui sont difficiles à expliquer à partir des mesures sur banc d'essais. La compréhension des interactions mécano-chimiques débouchera sur l’ optimisation des composites C/C.