Carbon-carbon composite brakes are one third the weight of typical steel brakes, and they attain strength and frictional properties at temperatures up to 1600°C. C/C composite brakes can endure high temperatures, but in the presence of oxygen they will begin to oxidize at 400°C. Anti-oxidant systems must be applied to the non-rubbing surfaces of the C/C composite stators and rotors to prevent oxidation. Currently, commercial phosphorus based coating materials are made of crystalline metal phosphates that are derived from heat treated phosphoric acid-based liquid precursors painted on the non-rubbing surface of C/C composites. These crystalline metal phosphate coatings are very porous and tend to move to the friction surface when exposed to increased levels of relative humidity. This anti-oxidant migration towards the rubbing surface causes a drop in frictional properties. Migration reduction and oxidation inhibition was improved upon with advanced anti-oxidant systems. The advanced antioxidants analyzed protected the C/C composite from thermal and catalytic oxidation six to ten times better at 650°C than commercial materials. At 871°C, the antioxidants protected the C/C composite from thermal oxidation ten times better than commercial materials. Migration of the antioxidant to the rubbing surfaces was eliminated through the use of advanced antioxidant compositions. The predicted life of the antioxidants was modeled using Avrami's equation. Characterization of the antioxidants was further analyzed through the use of SEM, EDS, and XRD systems.

A number of investigators have reported enhancement in oxidation and wear resistant of carbon-carbon composites (CCC) in the presence of protective coating layers. However, application of a surface and subsurface coating system that can preserve its oxidation and wear resistance along with maintaining lubricity at high temperature remains unsolved. To this end, thermodynamically stable protective oxides (ZnO/Al2O3/ZrO2) have been deposited by atomic layer deposition (ALD) to infiltrate porous CCC and graphite foams in order to improve the thermal stability and wear resistance in low and high speed sliding contacts. Characterization of microstructural evolution was achieved by using energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) mapping in scanning electron microscope (SEM) coupled with focused ion beam (FIB), x-ray tomography, high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), scanning transmission electron microscopy (STEM) and X-ray diffraction (XRD). Evaluation of the tribological properties of CCC coated with abovementioned ALD thin films were performed by employing low speed pure sliding tribometer and a high speed/frequency reciprocating rig to simulate the fretting wear behavior at ambient temperature and elevated temperatures of 400°C.It was determined with x-ray tomography imaging and EDS mapping that ALD ZnO/Al2O3/ZrO2 nanolaminates and baseline ZrO2 coatings exhibited excellent conformality and pore-filling capabilities down to ~100 μm and 1.5 mm in the porous CCC and graphite foam, respectively, which were dependent on the exposure time of the ALD precursors. XRD and HRTEM determined the crystalline phases of {0002} textured ZnO (wurtzite), amorphous Al2O3, and {101}-tetragonal ZrO2. Significant improvements up to ~65% in the sliding and fretting wear factors were determined for the nanolaminates in comparison to the uncoated CCC. A tribochemical sliding-induced mechanically mixed layer (MML) was found to be responsible for these improvements. HRTEM confirmed the presence of a high density of ZnO shear-induced basal stacking faults inside the wear tracks responsible for intrafilm shear velocity accommodation that mitigated friction and wear.

L’utilisation d’un composite Carbone/Carbone 2D est envisagée pour des pièces de structure, travaillant entre 150 et 400°C, dans l’aéronautique civile. Dans ce domaine de température, la durabilité de ces matériaux n’est pas connue car ils n’ont jamais été développés pour de telles applications. Une première approche a permis de corréler la réactivité chimique des constituants élémentaires (fibres et matrices) à leur état d’organisation structurale. Les vieillissements réalisés sur matériau composite ont ensuite mis en évidence qu’un faible taux d’oxydation pouvait conduire à un abaissement significatif des propriétés mécaniques résiduelles. Les fissures et les décohésions consécutives au procédé d’élaboration conduisent à une oxydation préférentielle du composé le plus réactif et à la ruine prématurée du composite par délaminage. L'évolution des propriétés de ce matériau sur de longues durées est finalement discutée afin d’évaluer sa capacité à remplacer les matériaux métalliques dans des pièces aéronautiques. / A 2D Carbon/Carbon composite is envisaged for structural parts, operating between 150 and 400°C, in civil aircraft. In this temperature range, the durability of these materials remains unknown because they have never been developed for this kind of applications. A first approach allowed us to correlate the chemical reactivity of the elemental constituents (fiber and matrix) to their structural organization. Then, thermal ageing tests performed on the composite material have demonstrated that a low rate of oxidation could be responsible to a significant reduction of residual mechanical properties. Cracks and fiber/matrix debonding resulting to the elaboration process create an extended pathway to a preferential oxidation of the most reactive compound. This latter is followed by a premature failure by delamination. The reduction of the material properties over long periods is finally discussed in order to evaluate its ability to replace metallic materials in aircraft structural parts.

Afin de comprendre les mécanismes d’usure et de frottement des composites carbone/carbone (C/C) utilisés en freinage aéronautique, un modèle numérique est utilisé pour dissocier les effets mécaniques des effets physico-chimiques et thermiques. Le modèle repose sur l’utilisation d’une approche par éléments finis et de techniques d’homogénéisation appliquées à un volume élémentaire représentatif (VER) du matériau à l’échelle mésoscopique frottant sur une surface rigide ou déformable. A cette échelle, le matériau est décrit par une matrice en carbone et des paquets de fibres de carbone appelés torons, perpendiculaires à la surface frottante. Pour assurer la représentativité de la structure du matériau, plusieurs modèles hétérogènes sont étudiés. Les résultats sont comparés à ceux obtenus avec le modèle homogène équivalent qui découle de l’homogénéisation. L’influence des conditions de contact (la rigidité), ainsi que l’influence de la distribution des torons proches de la surface frottante sur les régimes de vibrations des différents modèles sont mises en évidence. L’extension du modèle numérique à un contact entre deux composites a mis en évidence une forte augmentation des contraintes maximales localisées principales dans les torons présents à la surface frottante. Ces fortes localisations de contraintes peuvent avoir pour conséquence l’endommagement des torons ce qui induit la dégradation de la surface frottante jusqu’aux détachements de particules. / To understand the mechanisms of wear and friction of carbon 1 carbon composites (C/C} used in aeronautical braking, a numerical model is used to separate the mechanical effects of the physico-chemical and thermal effects. The model is based on the use of an approach by finite elements (FE} and techniques of homogenization applied to a representative elementary volume (RVE} of the material in the mesoscopic scale rubbing on a rigid or deformable surface. In this scale, the material is described by a matrix in carbon and packages of carbon fiber called strands, perpendicular on the contact surface. To insure the representativeness of the structure of the material, several heterogeneous models are studied. The results are compared with those obtained with the equivalent homogeneous model which ensues from the homogenization. The influence of the conditions of contact (the rigidity), as well as the influence of the distribution of strands at the contact surface on the regimes of vibrations of the various models are revealing. The extension of the numerical model in a contact between two composites underline a strong increase of maximal constraints mainly localized in the strands present on the contact surface. These strong localizations of constraints can have for consequence the damage of strands what leads the degradation of the contact surface until the detachments of particles.

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. / Carbon/Carbon (or C/C) composite is used as a friction material in aeronautical braking applications. This is a complex material from both microstructural and tribological behavior points of view. Thus, it has been studied through various works for several years, aiming at understanding what mechanisms guide this material response (friction, damage, wear) under tribological conditions. In this study, a focus is performed on mechanical aspects such as damages that occur in the numerical and experimental approach, in view to identify and classify the damages as well as to build a numerical model used to investigate wear mechanisms. It is underlined how first-body accommodation mechanisms have a great influence on particles detachment at the interface, as a surface/volume tribological dialogue take place. This model is based on the Discrete Elements method and represents simultaneously first- and third-body; such model is able to represent fist-body degradation as well as creation and flow of third-body particles. Its representativeness is ensured through experimental comparisons, particularly on mechanical aspects. A procedure is proposed for the research of a Representative Elementary Volume under contact conditions. Model results and material observations allow proposing a global scenario explaining C/C composite behavior under tribological conditions, which are representative of different aeronautical braking cases. Damages, identified in the volume of the first-body, reveal themselves to be sometimes beneficial, and could be characterized as “useful damages”. The scenario takes into account this phenomenon, as well as thermal, mechanical and physicochemical ones, identified from this work or literature. It explains the influences of these parameters on C/C tribology and show how the dynamic equilibrium between them results on the C/C response, particularly its wear mechanism.

Les tokamaks visent à réaliser la fusion contrôlée de noyaux de deutérium et de tritium par le confinement magnétique d'un plasma chaud. L'interaction entre le plasma et les parois a été étudiée en détail pour le tokamak Tore Supra. Au cours des décharges, le plasma interagit fortement avec le limiteur, formé de milliers de tuiles en composite carbone/carbone. L'érosion de ces tuiles par les flux de particules du plasma mène à la formation de co-dépôts de carbone et de deutérium qu'il est essentiel de limiter. Nous avons effectué une étude multi-échelle, principalement avec les différents outils de la microscopie électronique, sur des tuiles provenant du limiteur de Tore Supra. Une analyse des co-dépôts a permis de mettre en évidence leur topographie en forme de pointes, orientées dans une même direction quelque soit la position de la tuile sur le limiteur. L'étude de la surface de tuiles appartenant à des zones majoritairement érodées a révélé la présence d'une striation périodique de surface. Ces deux phénomènes ont été mis en relation avec la direction des flux et l'effet de la gaine faiblement magnétisée de Tore Supra a été mis en évidence. L'analyse des dépôts présents dans les interstices entre les tuiles a révélé une physique propre à ces interstices permettant la formation de dépôts en profondeur. Des nanoparticules graphitiques sphériques ont été observées, signe d'une croissance homogène locale en phase plasma. Nous avons développé des méthodes de mesure des volumes de dépôt et des volumes érodés, menant à l'établissement d'un bilan carbone et à l'évaluation de la masse de deutérium piégé, en bon accord avec les mesures in-situ réalisées dans Tore Supra. / Tokamaks are devices aiming at achieving controlled fusion of deuterium and tritium by magnetically confining a hot plasma. The interaction between the plasma and the inner walls is a crucial issue and has been studied in detail in Tore Supra. During discharges the plasma strongly interacts with limiter, designed with thousands of carbon tiles (C/C composite). The plasma particle fluxes erode the tiles, leading to co-deposition of carbon and deuterium that should be limited. We have performed a multi-scale study of tiles extracted from the Tore Supra limiter, mainly using electron microscopy. The analysis of the co-deposits has revealed a tip-shaped topography, tips being oriented in the same direction wherever the tile over the limiter. Analyses of tiles extracted from erosion-dominated zones have revealed the presence of a periodic ripple on their surfaces. Both phenomena have been related with the direction of ion fluxes and the effect of the weakly magnetized sheath of Tore Supra has been shown. Analyses of the deposits inside the gaps in-between the tiles have revealed the existence of specific processes leading to the formation of deposits deeply inside the gaps. Graphitic nano-particles have been observed, showing the existence of local homogeneous growth processes. Finally, by measuring the deposit volume and the C/C composite eroded volume we have obtained an inventory of both carbon and deuterium which is consistent with the analyses of Tore Supra in-situ measurements.