Composante dispersive de l’énergie de surface

L’intérêt des matériaux composites Carbone/Carbone réside principalement dans leur bon comportement thermomécanique (ténacité conservée à très haute température) et tribologiques. Ces matériaux sont aujourd’hui majoritairement utilisés dans l’industrie aérospatiale et aéronautique, où la performance prévaut sur le prix, les cols de tuyères de fusées étant l’application la plus connue. Le carbone étant biocompatible, des applications médicales sont aussi envisageables avec par exemple des prothèses de têtes de hanches. Néanmoins, l’application la plus importante de ces matériaux en termes de tonnage est le freinage aéronautique. En effet, leurs excellentes propriétés thermomécaniques et tribologiques en font des matériaux de choix pour cette application. Un exemple significatif est celui du freinage d’urgence d’un Airbus A340 pesant 225 tonnes et lancé à 300 km/h. Les disques de freins doivent alors dissiper une énergie d’un milliard de joules en quelques dizaines de secondes. Les disques peuvent alors atteindre des températures de l’ordre de 2000°C ce qui justifie l’utilisation de composites C/C. La figure 1 illustre les deux principales applications.

Figure 1 : (a) Ensemble arrière de la fusée Ariane5 [1], (b) Frein de l’A340 [2].

Leur défaut majeur est lié à l’affinité du carbone vis-à-vis de l’oxygène, ce qui entraine un phénomène d’oxydation dès 400°C. La dégradation du matériau se manifeste alors par une perte de matière, mais aussi par une chute des propriétés mécaniques. De manière générale, un composite C/C est constitué d’un renfort fibreux et d’une matrice. Ces deux éléments sont séparés par une interface, zone primordiale qui prend part au comportement globale du matériau. En effet, les interfaces fibre/matrice sont le point clé des C/C vis-à-vis de la résistance à l’oxydation, mais aussi du point de vue du comportement mécanique. Mieux comprendre la physico-chimie régissant cette zone semble alors nécessaire. De ce fait, il est envisagé dans cette étude d’apprendre à la maîtriser pour améliorer les performances des C/C. Ce premier chapitre bibliographique a pour objectif de mieux appréhender la problématique liée aux interfaces fibres/matrice dans les composites C/C. Il se compose de quatre parties, la première dans laquelle sont introduits les composites C/C, la seconde est consacrée à décrire l’importance du rôle et de la nature de l’interface fibre/matrice, alors que la troisième traite des différents procédés de traitements de surface possibles pour maîtriser la force interfaciale. La dernière partie évoque la caractérisation de la modification de surfaces des fibres de carbone en particulier la Chromatographie Gazeuse en phase Inverse.

Les matériaux C/C sont constitués de fibres de carbone densifiées par du carbone (matrice), leur cohésion est assurée par une zone immatérielle appelé interface. Les fibres sont obtenues par pyrolyse de fibres organiques, c’est-à-dire à partir de précurseur tel que le Poly-Acrylo-Nitrile ou les Brais. La matrice peut être obtenue par différents procédés dont les deux principaux sont :

– la voie liquide impliquant des précurseurs organiques imprégnés puis pyrolysés,

– la voie gazeuse (Chemical Vapor Infiltration). utilisant des hydrocarbures

Chaque constituant d’un composite C/C ayant une structure proche de celle du graphite, il en possède alors toutes les qualités (d’excellentes propriétés thermomécaniques) mais aussi les défauts (faible résistance à l’oxydation). Le tableau 1 regroupe quelques propriétés du composite C/C SepCarb® proche de celui de l’étude [3].

ρ (g/cm3)1,75

Module d’Young20/25

(GPa)

Résistance- Traction45/80

– Compression100

(MPa)

– Cisaillement25/30

Coeff. dilatation thermique (1/K)-1.10-6/-2.10-6

Tableau 1 : Propriétés du matériau composite SepCarb® [3].

Ces matériaux présentent aussi une bonne inertie chimique du fait de leur insensibilité

à la plupart des réactifs chimiques (acides forts, agent réducteurs). De ce fait, il est possible de dire que la faible tenue à l’oxydation est la principale limite de ces matériaux. Il convient maintenant de s’intéresser plus en détails aux différents constituants des matériaux composites C/C.

Ce type de fibres est aujourd’hui largement utilisé notamment dans le domaine aéronautique du fait de leurs bonnes performances et de leurs faibles coûts. Elles font partie de la catégorie des carbones turbostratiques. En d’autres termes, ce sont des carbones synthétisés dont la structure est intermédiaire entre le carbone amorphe et le graphite.

Leur composition est faite de zones organisées formées de plans de graphène (cristallites), présentant des défauts atomiques (lacune, dislocations) ou d’empilements. La transformation des fibres polymères en fibres de carbone s’effectue en trois étapes :

– Entre 200 et 300°C, stabilisation sous atmosphère oxydante (air),

– De 700 à 1500°C, carbonisation sous atmosphère neutre (azote), les cristallites sont alors désordonnées et peu développées. Cette transformation s’accompagne d’une perte de masse et d’une réduction de diamètre de l’ordre de 50 %,

– Lorsque l’orientation des cristallites le permet, il est possible de faire évoluer la structure par traitement thermique en une structure mieux organisée et ainsi les propriétés des fibres de carbone vers celles du graphite. Cette transformation est appelée graphitisation. Entre 1500 et 2000°C, les plans de graphène commencent à se lier entre eux par les bords, les derniers hétéroatomes sont alors éliminés. Entre 2000 et 2200°C, les défauts d’empilements disparaissent et au-delà de 2800°C, il n’y a plus d’évolution de structure. Les conséquences sont importantes au niveau des propriétés, la figure 2 [4], [5] illustre par exemple l’évolution des propriétés mécaniques en fonction de la température de graphitisation.

(a)

(b)

Figure 2 : (a) Evolution structurale en fonction de la température [4], (b) Propriétés mécaniques des fibres en fonction de la température de traitement thermique [5].

Il est possible de classer les fibres ex-PAN en trois catégories, en fonction de leur module d’élasticité qui croît avec la température du traitement final [5] :

– Low Modulus (LM), fibres à bas module (70 à 190 GPa),

– Intermediate Modulus (IM), fibres à module intermédiaire (190 à 280 GPa),

– High Modulus (HM), fibres à haut module (280 à 400 GPa).