Un programme de recherche¹ "Friction des composites carbone-carbone" a été lancé conjointement par le CNRS, la Snecma et Messier-Bugatti en décembre 1998. Son objectif était de parvenir à une meilleure compréhension des mécanismes de frottement et d'usure des composites carbone-carbone. Il est désormais possible de fabriquer des matériaux mieux adaptés et plus performants, et qui entrent dans la composition des freins des avions, et éventuellement de ceux des voitures de Formule 1 ou encore des véhicules industriels.

Lors de l'atterrissage voire lors du freinage d'urgence ("rejected take off" ou RTO) d'un Airbus, durant lequel la température des freins peut dépasser 2 000°C, l'usure des freins n'est que de quelques micromètres (10-6 mètres) par face. Curieusement, l'usure est nettement plus élevée lors des freinages de faible puissance, tels que ceux nécessaires lors des déplacements à faibles vitesses sur la piste (taxiages). Ce phénomène correspond à une "bosse d'usure", c'est-à-dire à l'existence d'une plage de température autour de 150°C, pour laquelle on constate une vitesse d'usure maximale.

Vue d'un frein quelques secondes après un freinage RTO. © Photo : Messier-Bugati

En pratique, ce phénomène se traduit aussi par des durées de vie des freins plus ou moins longues et dans des proportions allant de 1 à 3 selon les conditions climatiques (pays froids et secs ou pays tropicaux chauds et humides) ou encore selon la fréquence de rotation des avions.

L'un des premiers défis à relever résidait donc dans la compréhension des mécanismes à la base de cette bosse d'usure pour une meilleure maîtrise de la durée de vie des disques de frein. L'origine du problème semble de nature physico-chimique, puisque dans le domaine de température considéré, les propriétés mécaniques du carbone restent inchangées alors que l'usure dépend de l'environnement. Bien que le rôle de la vapeur d'eau et de l'oxygène ait déjà fait l'objet de nombreuses études d'interaction avec le carbone, le problème ne peut être considéré comme résolu lorsqu'il y a friction.

Le deuxième défi à relever était la prise en compte des propriétés mécaniques du composite. Bien que ces matériaux ne soient constitués que de carbone, leurs propriétés mécaniques et tribologiques² varient avec l'environnement, l'agencement des fibres, la nature et le traitement thermique des matrices pyrocarbones entourant les fibres, et conditionnent les mécanismes d'endommagement. Ces mécanismes donnent naissance à une partie des particules responsables directement ou indirectement de l'usure. La sélection des matériaux sur la base d'essais à échelle industrielle reste très onéreuse et ne permet pas toujours de rendre compte de l'action de paramètres indépendants. Cependant, une étude paramétrique sur tribomètre classique, en fonction de l'ensemble des variables physiques, mécaniques ou physico-chimiques, est possible et devrait a priori conduire à la solution du problème. Pourtant, ces essais s'avèrent encore insuffisants pour simuler le comportement des freins réels, et ce d'autant plus qu'il existe un problème de changement d'échelle.

Surfaces de frottement de matériaux composites C-C, observées par microscopie optique en lumière polarisée et lame teintante. © CNRS, ICSI.

De nouveaux défis apparaissent également à cause de l'existence du troisième corps³, c'est- à-dire de l'ensemble des débris restant dans le contact et susceptibles de participer à la portance et à l'accommodation de vitesse. Le comportement de ce troisième corps étant sensible à la fois à la géométrie et aux dimensions du contact, ainsi qu'à l'environnement et notamment aux cinétiques d'adsorption et de désorption, le problème s'avère particulièrement ardu.

Différents laboratoires collaborent activement au programme "Friction des matériaux composites C-C". Malgré les difficultés rencontrées, les scientifiques ont déjà résolu de nombreux problèmes d'ordre mécanique, physico-chimique et thermodynamique. D'énormes progrès ont été accomplis depuis 1998, chaque partenaire tenant compte des éclairages des autres disciplines pour orienter ses recherches propres et apporter sa contribution à un "scénario" commun.
Et ce, pour optimiser encore les propriétés mécaniques et tribologiques des matériaux du futur.

¹ Plusieurs laboratoires sont concernés :