Le Carbone-carbone :

matériau de l'extrême

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Booster d'Ariane 5
Du carbone-carbone pour équiper les boosters du lanceur Ariane 5.
© SAFRAN & CNES

Freins en carbone-carbone

Comment et pourquoi un matériau hautement technologique qui était destiné à des applications militaires, est-il devenu en une trentaine d’années le matériau avec lequel les disques de freins de la majorité des avions de ligne du monde sont fabriqués ?

À l’origine : un accident. La naissance du premier composite carbone-carbone s’apparente à la découverte du Champagne par Dom Pérignon : elle résulterait de la pyrolyse accidentelle d’un composite à matrice organique, en 1958, aux États-Unis.
Le carbone-carbone est un matériau composite, comme le bois ou le torchis. Si la majeure partie des composites sont constitués d’une matrice organique (résine, plastique) et d’un renfort fibreux (verre, carbone, etc.), le carbone-carbone, quant à lui, est composé d’une matrice en carbone renforcée de fibres de carbone. C’est là que réside la bonne idée car cette composition lui confère des qualités de résistance mécanique exceptionnelles même lorsqu’il est soumis à de très hautes températures.

Une idée ancienne, des matériaux nouveaux

Freins de F1
Des disques de frein carbone permettent aux Ferrari de faire face à des décélérations pouvant atteindre 5G depuis des vitesses de l’ordre
de 340 km/h.
© JF Galeron (Messier-Bugatti)

Imaginez une voiture lancée à 200 km/h. Connaissez-vous la quantité de chaleur à absorber et à dissiper pour l'arrêter ? Elle est de l’ordre de 1 million de joules (1). C'est-à-dire approximativement le travail nécessaire pour soulever un million de pommes d'une hauteur d'un mètre. Pour un Airbus A340, elle peut être supérieure à 1 milliard de joules (cas extrême de freinage au cours d’un décollage interrompu).

Mais là où deux plaquettes de frein suffisent pour arrêter une voiture, un avion a besoin d’un empilement de disques frottant les uns sur les autres ; là où un frein de voiture se contente de métal, un avion requiert un matériau beaucoup plus résistant et performant. C’est ce qui a justifié l’introduction de matériaux composite.

Un composite est l'assemblage de matériaux de nature différente et complémentaire pour donner un matériau nouveau dont les performances sont supérieures à celles de ses composants pris individuellement.
Le bois, l'archétype des matériaux, est un composite naturel de lignine et de cellulose.

Les composites sont en général constitués d'une matrice et d'un renfort de fibres : par exemple, pour les plus répandus, matrices en résines thermoplastique ou thermodurcissable (plastiques) et fibres de verre ou de carbone.

On fabrique depuis les années 1940 des pare-chocs de voiture ou des coques de bateau en composite.

Le carbone-carbone est composé d'une matrice en carbone et d'un renfort en fibres de carbone. Il appartient à la famille des composites à hautes performances thermiques ou composites thermostructuraux.

(1) Un joule (symbole: J) : c'est le travail produit par une force de 1 newton dont le point d'application se déplace de 1 mètre dans la direction de la force.

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