Etude du comportement tribologique de composites carbone/carbone sous sollicitations de freinage aéronautique PDF Download
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Author: Haytam Kasem
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Category :
Languages : fr
Pages : 263
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Book Description
Les composites C/C constituent actuellement la meilleure solution technologique pour assurer le freinage aéronautique. En effet, ces matériaux possèdent des caractéristiques (densité, capacité thermique,...) et des propriétés thermomécaniques très adaptées au freinage très dissipatif. Dans ce contexte, cette étude a pour objectif l’identification des mécanismes d’usure de composites C/C lors de freinages de type taxiage à basse et à haute températures.Pour ce faire, deux tribomètres sont utilisés (pion/disque et disque/disque) ainsi qu’un spectromètre de masse couplé au tribomètre pion/disque afin d’étudier les réactions chimiques dans le contact. L’analyse des gaz, la caractérisation des surfaces et des particules de troisième corps formées lors du frottement (MOLP, MEB, AFM, DRX, XPS, adsorption d’azote) ont permis de suivre l’endommagement des matériaux étudiés.Le frottement à basse température se caractérise par une usure particulièrement élevée, des surfaces majoritairement endommagées (rayures, fissurations, décohésions fibres/matrice,..), et un détachement important de particules de grande taille qui participent activement à l’abrasion des surfaces. L’usure tribo-chimique particulièrement élevée se traduit par une contribution prépondérante de l’usure mécanique par rapport à l’usure chimique (oxydation).Quant au frottement à haute température, il conduit à une usure faible, des surfaces peu endommagées et la production de particules de petite taille plus oxydées, plus cohésives et donc nettement moins abrasives. L’usure tribo-chimique relativement faible se caractérise par une plus faible contribution de l’usure mécanique et une oxydation plus importante.
Author: Haytam Kasem
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Languages : fr
Pages : 263
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Book Description
Les composites C/C constituent actuellement la meilleure solution technologique pour assurer le freinage aéronautique. En effet, ces matériaux possèdent des caractéristiques (densité, capacité thermique,...) et des propriétés thermomécaniques très adaptées au freinage très dissipatif. Dans ce contexte, cette étude a pour objectif l’identification des mécanismes d’usure de composites C/C lors de freinages de type taxiage à basse et à haute températures.Pour ce faire, deux tribomètres sont utilisés (pion/disque et disque/disque) ainsi qu’un spectromètre de masse couplé au tribomètre pion/disque afin d’étudier les réactions chimiques dans le contact. L’analyse des gaz, la caractérisation des surfaces et des particules de troisième corps formées lors du frottement (MOLP, MEB, AFM, DRX, XPS, adsorption d’azote) ont permis de suivre l’endommagement des matériaux étudiés.Le frottement à basse température se caractérise par une usure particulièrement élevée, des surfaces majoritairement endommagées (rayures, fissurations, décohésions fibres/matrice,..), et un détachement important de particules de grande taille qui participent activement à l’abrasion des surfaces. L’usure tribo-chimique particulièrement élevée se traduit par une contribution prépondérante de l’usure mécanique par rapport à l’usure chimique (oxydation).Quant au frottement à haute température, il conduit à une usure faible, des surfaces peu endommagées et la production de particules de petite taille plus oxydées, plus cohésives et donc nettement moins abrasives. L’usure tribo-chimique relativement faible se caractérise par une plus faible contribution de l’usure mécanique et une oxydation plus importante.
Author: Marie Poitrimolt
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Languages : fr
Pages : 211
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Book Description
Cette étude s'intéresse aux performances des matériaux composites Carbone/Carbone 2,5D lors d'un freinage aéronautique de basse énergie. Durant la vie avion, l'état de surface des disques de frein évolue et les performances de freinage s'en trouvent modifiées. Les études expérimentales et les modélisations réalisées ont pour buts la maîtrise et la prédiction de l'évolution des propriétés de la surface, cela en fonction à la fois des conditions tribologiques mais également de la distance dans deux environnements d'étude: à sec et lubrifié. Un premier volet de ce travail consiste à caractériser finement le comportement mécanique en compression du composite Carbone/Carbone 2,5D, afin de comprendre les répercussions du frottement en sous-couche. Après la détermination des caractéristiques élastiques du matériau, le comportement élasto-endommageable en compression est relevé. Ces caractéristiques sont implémentées dans une simulation 1D et permettent de reproduire les courbes d'essais de compression cyclique à contrainte croissante. Parallèlement, une étude du comportement tribologique du C/C 2,5D à sec via des essais courts a permis de connaître les caractéristiques des coefficients de frottement de différents états de surface. Les coefficients de frottement moyens sont mis en relation avec le paramètre de rugosité Sk. Les essais tribologiques longue distance mis en oeuvre ont modifié l'état de surface des échantillons tant sur le plan topographique que sur le plan morphologique. Des fissures en sous-couche apparaissent, conséquence des efforts tribologiques subis. Ces observations ont menés à la détermination d'un mécanisme d'évolution d'état de surface des disques en environnement sec. Enfin, deux types d'essais en environnement lubrifié ont été proposés, afin de séparer le comportement ponctuel d'un état de surface du comportement tribologique avec la distance. Premièrement, une procédure d'essais tribologiques courts a été mise en place et s'affiche comme un moyen de caractérisation d'état de surface in-situ à part entière, avec des caractéristiques des courbes de Stribeck directement liées aux états morphologiques et topographiques. Ensuite, un plan d'expérience réunit les essais longs destinés à modifier l'état de surface d'éprouvettes pour plusieurs jeux de paramètres tribologiques. Les courbes de Stribeck de ces nouveaux états de surface sont analysées. Ainsi, les états de surface expérimentaux sont comparés à ceux des disques de frein industriels.
Author: Guillaume Peillex
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Languages : fr
Pages : 180
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Book Description
Afin de comprendre les mécanismes d’usure des composites utilisés dans les freins aéronautiques, il faut dissocier le rôle de la mécanique de ceux de la thermique et de la physico-chimie. Pour cela, un modèle mécanique, numérique par éléments finis, d’un composite à deux échelles (macroscopique et microscopique) et sous sollicitations de contact frottant en dynamique, est crée. La convergence est obtenue grâce à une loi de frottement particulière. La mise en place d’une approche multiéchelles par homogénéisation-relocalisation a permis de dissocier l’influence de l’échelle macroscopique, fixant les régimes de vibrations possibles, de celle de l’échelle mésoscopique, sélectionnant le régime effectif. Un scénario d’endommagement basé sur les estimations des contraintes locales aux deux échelles du matériau a pu être mis au point et rejoins des observations expérimentales. Le modèle permet aussi de caractériser l’influence de certains paramètres de fabrication du matériau sur son comportement tribologique.
Author: Richard Gilmore
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Languages : fr
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Les composites carbone-carbone constituent depuis une vingtaine d'années le matériau de friction standard pour les freins aéronautiques, et leur utilisation dans les applications de freinage haute performance tend à se généraliser. Cependant, si leur comportement tribologique est tout à fait satisfaisant lors de freinages intenses, il est moins satisfaisant lors de sollicitations faibles, associées à des températures inférieures à 400°C, et se traduit par une usure élevée et des instabilités de frottement. Le but de ce travail a été d'examiner ces comportements à l'aide d'un tribomètre pion - disque et en particulier de mettre en évidence le rôle de l'adsorption et de la chimie superficielle. Une première partie de l'étude, consacrée à la détermination des paramètres physiques contrôlant la transition entre des régimes de frottement faible et élevé, a permis de mettre en évidence l'existence d'une température critique voisine de 200°C, ainsi que l'existence de régions de frottement instable. Une deuxième partie a permis de préciser les divers paramètres pouvant déclencher un pic de frottement transitoire et d'établir une liaison entre usure et instabilité. Enfin, l'analyse de la chimie superficielle formée après frottement par analyse XPS et par thermodésorption programmée a révélé que les quantités relatives des diverses fonctions oxygénées en surface dépendaient de la température de formation et que l'intensité des interactions adhésives, essentiellement contrôlée par la proportion des fonctions à caractères acide ou basique, pouvait passer par un maximum vers 200°C
Author: Ahmed Samah
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Languages : en
Pages : 187
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Les carbones en particulier le graphite, sont très utilisés dans le domaine de la tribologie. Leur domaine de coefficient de frottement permet des applications spécifiques : u faible pour les paliers et u fort pour les freins. Les collecteurs électriques nécessitent un emploi des matériaux ayant des propriétés mécaniques élevées tout en gardant celles du graphite, d'où l'emploi de composites C-C. Notre étude consite à évaluer le comportement tribologique de deux types de composites C-C de structures différentes, l'un étant issé en "taffetas" 2D et l'autre "tricoté" en 3D, avec et sans courant électrique, dans une configuration pion en cuivre/disque en composite. L'étude tribologique des deux couples est menée sans courant électrique sous atmosphère ambiante. Deux états des deux couples est menée sans courant électrique sous atmosphère ambiante. Deux états de frottement ont été obtenus pour le couple cuivre/composite C-C 2D. L'un est caractérisé par un frottement faible et une usure faible, l'autre pour un frottement élevé et une usure sévère et un état intermédiaire dont le coefficient de frottement u est compris entre 0.3 et 0.6. Pour un couple cuivre/composite C-C 3D, deux états de frottement ont été obtenus, caractérisés par un frottement faible et usure faible et une autre ayant un frottement u inférieur à 0.3 sans dépasser 0.45, l'usure reste faible par rapport à celle du premier couple. Sous l'influence d'un courant électrique continu et l'influence des sollicitations mécaniques. La résistance électrique de contact et le coefficient de frottement sont enregistrés simultanément. Nous avons mesuré le microdureté et la rugosité moyenne des surface en frottement. Des observations par MEB et des analyses par EDS ont été effectués afin d'étudier l'influence de la strucure, l'orientation des fibres et le rôle des fibres et films formés ou transférés sur les surfaces en contact dynamiques, sur le comportement tribologique des couples utilisés. Nous avons fait une étude sur les différents cas de rupture des fibres et de la matrice sous différentes sollicitations existantes durant un contact glissant. En utilisant la tenacité des matériaux constitutifs, nous avons déterminé l'ordre de rupture entre la matrice, la fibre et l'interface fibre/matrice et sous quel type de sollicitation la propagation de fissure est imminente.
Author: Matthieu François
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Languages : fr
Pages : 200
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Book Description
Dans le domaine du freinage aéronautique l'acier est progressivement remplacé par les matériaux composites carbone/carbone. Ces matériaux sont très sensibles aux conditions de freinage et présentent des régimes de frottement et d'usure haut ou bas. L'analyse d'une simulation d'opération de décollage/atterrissage a permis de déterminer les coefficients de frottements et les taux d'usure de ces régimes et les évolutions de surface frottante et de débris d'usure qui y sont associés. A partir d'essais de simulation de freinages identiques nous avons mis en évidence la corrélation entre les régimes et des phénomènes de polissage des surfaces, ainsi que des mécanismes d'agglomération, de compaction et d'éjections de 3ème corps spécifiques. Cette étude a permis de proposer un scénario d'usure lors de la sollicitation de décollage/atterrissage. Cependant une approche purement mécanique de la tribologie de ces matériaux n'est pas suffisante. L'étude physico-chimique des phénomènes de surface a montré la différence de quantité, de nature et de proportion relative des différentes espèces oxygénées de surface. Cette étude a permis de mettre en évidence la contribution de certaines espèces oxygénées à la réponse tribologique des disques de frein.
Author: JEAN-FRANCOIS.. JEANNE
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Languages : fr
Pages : 213
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Book Description
LE BUT DE CETTE THESE EST D'ETUDIER LE COMPORTEMENT TRIBOLOGIQUE DE QUATRE MATERIAUX COMPOSITES TYPE CARBONE/CARBONE ET CARBONE/SIC SUR UN BANC DE FREINAGE INDUSTRIEL DANS TROIS ENVIRONNEMENTS (SEC, HUMIDE ET NEUTRE). L'ETUDE DU COMPORTEMENT EST COMPLETEE PAR UNE SERIE D'EXPERIMENTATIONS DE LABORATOIRE DESTINEES A ILLUSTRER ET QUANTIFIER LES PROCESSUS ELEMENTAIRES DE DEGRADATION DE SURFACE. LA MISE EN PARALLELE DES EXPERIENCES INDUSTRIELLES ET DE LABORATOIRE PERMET D'ETABLIR LES FACTEURS INFLUANT SUR LE COMPORTEMENT ET L'ENDOMMAGEMENT DE CES MATERIAUX. CES FACTEURS TELS QUE L'ARCHITECTURE FIBREUSE, LE TAUX DE GRAPHITATION DE LA MATRICE, LE TAUX DE POROSITE, LA VITESSE INITIALE DE FREINAGE, L'AMBIANCE, SONT PLUS MOINS PREPONDERANTS. LES EXPERIMENTATIONS DE SCLEROMETRIE ET D'ABRASION AINSI QUE LES ENDOMMAGEMENTS DE SURFACE PAR FLUX THERMIQUE PERMETTENT DE CERNER LE PROCESSUS D'USURE, COMBINAISON ENTRE ABRASION ET USURE TRIBOCHIMIQUE. DEUX MODELES THERMIQUES MACROSCOPIQUES ADAPTES AUX APPLICATIONS DE FREINAGES SONT DEVELOPPES. L'UN, ANALYTIQUE, PERMET UNE APPROCHE RAPIDE DES PHENOMENES THERMIQUES DANS UNE OPTIQUE DE DEVELOPPEMENT. LE SECOND, NUMERIQUE AUX DIFFERENCES FINIES BASE SUR LA METHODE DES DIRECTIONS ALTERNEES IMPLICITES, PERMET UNE APPROCHE PLUS FINE ET PLUS COMPLETE DES PHENOMENES. LES DEUX MODELISATIONS DEVELOPPEES MONTRENT UNE BONNE ADEQUATION A L'APPLICATION DE FREINAGE AVEC UNE BONNE CORRELATION AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX. CETTE CORRELATION AVEC LES ESSAIS SUR LE BANC PERMET D'ENVISAGER UNE REDUCTION DES CAMPAGNES DE TESTS DE NOUVEAUX SYSTEMES, BUT PREMIER DE CE TRAVAIL DE RECHERCHE
Author: Matthieu Champagne
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Languages : fr
Pages : 145
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Book Description
Le matériau composite carbone/carbone ou C/C est utilisé en temps que matériau de friction en freinage aéronautique. Matériau complexe tant du point de vue de sa description microstructurale que de son comportement sous sollicitations tribologiques, il a été l'objet de nombreuses études visant à mieux comprendre les mécanismes régissant sa réponse (frottement, endommagement, usure) à ces sollicitations. Dans cette étude nous nous focalisons sur l'aspect mécanique de cette réponse. En particulier, nous nous intéressons aux endommagements présents dans le matériau : nous souhaitons étudier tant leurs origines que leur influence sur le comportement du matériau. Pour cela, nous choisissons une approche combinée numérique et expérimentale, nous permettant d'identifier de façon exhaustive ces endommagements puis de construire un modèle numérique tribologique permettant d'étudier les mécanismes d'usure du matériau. Nous montrons comment les mécanismes d'accommodation en volume du 1er corps influent sur les détachements de particules en surface, nous conduisant à parler de dialogue tribologique surface/volume. Le modèle numérique utilise la méthode des éléments discrets pour représenter 1er et 3ième corps simultanément. Un travail est réalisé autour de la représentativité du modèle vis-à-vis des caractéristiques mécaniques du composite C/C. Nous proposons également une démarche de recherche d'un Volume Elémentaire Représentatif sous condition de contact. Ce modèle ainsi que les observations du matériau nous permettent de proposer un scenario de comportement tribologique du composite C/C, en fonction des sollicitations thermomécaniques qui lui sont appliquées et correspondant aux différents types de freinages aéronautiques. Les endommagements identifiés dans le volume du matériau se révèlent être bénéfiques dans certains cas de figure au travers d'un mécanisme de rigidification du matériau intervenant à haute température, ce qui nous conduit à parler d' « endommagement utile ». Le scenario intègre donc ce phénomène, ainsi que d'autres tant mécaniques que physicochimiques et identifiés par cette étude ou dans la littérature, et montre comment leur équilibre « dynamique » produit le comportement tribologique identifié du matériau pour les différentes gammes de sollicitations qui lui sont appliquées.
Author: Jérôme Rivière
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Languages : fr
Pages : 226
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Book Description
En aéronautique, l’optimisation du fonctionnement des freins de roue nécessite qu’ils aient des comportements tribologiques qui décélèrent progressivement les aéronefs tout en maximisant l’endurance des freins. Ces comportements sont obtenus par le biais d’empilements de disques en composites carbone-carbone situés dans la jante de chaque roue qui, mis en contact par l’action d’une couronne hydraulique, transforment, emmagasinent puis restituent l’énergie de freinage. La jante, la couronne hydraulique (mécanisme), les disques (premiers corps) et le film intercalaire (troisième corps) constituent le triplet tribologique qui gouverne le freinage. Du fait du confinement du "contact" entre les disques d’une part, et entre les disques et la jante d’autre part, la compréhension locale des phénomènes énergétiques (conversions thermo-mécaniques) opérant pendant le freinage, nécessite un découplage des phénomènes tribologiques mis en jeu, en particulier au niveau de la "peau" des premiers corps et du troisième corps (échelle locale). Le découplage, difficile à établir expérimentalement, est réalisé dans cette étude par une modélisation numérique la plus réaliste possible des circuits tribologiques thermo-mécaniques activés (flux de matière et d’énergie). Cette dernière est obtenue en enrichissant la méthode des éléments discrets afin de prendre en compte les arrangements locaux des constituants des premiers et troisième corps. Ces enrichissements sont confrontés numériquement et expérimentalement, à l’aide d’une "boîte granulaire" instrumentée, puis exploités pour analyser les réponses thermo-mécaniques des premiers et troisième corps. Les analyses suggèrent qu’une "dégradation seuil" des premiers corps engendre des arrangements locaux aux comportements thermo-mécaniques singuliers, même si l’énergie globale appliquée (pression × vitesse) est constante. Par exemple, les constituants du troisième corps induisent des phénomènes conservatifs tels que la formation de "rouleaux thermiques" liée à la recirculation locale du troisième corps, et des phénomènes dissipatifs tels que la conduction de la chaleur par le biais des hétérogénéités (paquets de fibres) des premiers corps. Les arrangements locaux, les endommagements, ... peuvent être caractérisés par des mesures numériques de résistance thermique de contact qui résultent de la compétition entre des énergies à l’échelle locale et des énergies à l’échelle globale (mécanisme). Cette résistance permet de distinguer dans les bilans d’énergie thermo-mécaniques, en plus des phénomènes dissipatifs bien connus, les phénomènes conservatifs qui amènent le triplet tribologique vers un équilibre. Dans le cas du freinage, l’équilibre est conditionné par le choix des arrangements qui restreignent l’usure (phénomènes conservatifs), et de ceux qui maximisent l’évacuation de la chaleur hors du contact (phénomènes dissipatifs).
Author: Richard Gilmore
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Category :
Languages : fr
Pages : 222
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Book Description
Les composites carbone-carbone constituent depuis une vingtaine d'années le matériau de friction standard pour les freins aéronautiques, et leur utilisation dans les applications de freinage haute performance tend à se généraliser. Cependant, si leur comportement tribologique est tout à fait satisfaisant lors de freinages intenses, il est moins satisfaisant lors de sollicitations faibles, associées à des températures inférieures à 400°C, et se traduit par une usure élevée et des instabilités de frottement. Le but de ce travail a été d'examiner ces comportements à l'aide d'un tribomètre pion - disque et en particulier de mettre en évidence le rôle de l'adsorption et de la chimie superficielle. Une première partie de l'étude, consacrée à la détermination des paramètres physiques contrôlant la transition entre des régimes de frottement faible et élevé, a permis de mettre en évidence l'existence d'une température critique voisine de 200°C, ainsi que l'existence de régions de frottement instable. Une deuxième partie a permis de préciser les divers paramètres pouvant déclencher un pic de frottement transitoire et d'établir une liaison entre usure et instabilité. Enfin, l'analyse de la chimie superficielle formée après frottement par analyse XPS et par thermodésorption programmée a révélé que les quantités relatives des diverses fonctions oxygénées en surface dépendaient de la température de formation et que l'intensité des interactions adhésives, essentiellement contrôlée par la proportion des fonctions à caractères acide ou basique, pouvait passer par un maximum vers 200°C
