Frottement des matériaux composites polymères à renfort fibre de carbone : expériences et modélisation

Friction between carbon fibre reinforced polymers: experiments and modelling

¹ Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, CNRS UMR 5513, École Centrale de Lyon, 36 avenue Guy de Collongue, 69134 Ecully Cedex, France
e-mail : olgasmerdova@gmail.com
² Chaire SM1, Université Technique d’État de Moscou Bauman, 5, 2-nd Baumanskaya, 105005, Moscou, Russie

Reçu : 19 Septembre 2011
Accepté : 26 Septembre 2012

Résumé

Les matériaux composites polymères renforcés avec des fibres de carbone (PRFC) sont connus pour l’excellente combinaison de leurs propriétés mécaniques et thermiques avec leur faible masse. Cependant, leurs propriétés tribologiques restent largement méconnues. Dans le cadre de ce travail, l’étude expérimentale du frottement entre deux PRFC composites sous faible charge normale (jusqu’à 20 N) a été réalisée. Deux effets ont été soigneusement étudiés pendant l’expérience : la fraction volumique et l’orientation des fibres. En complément de ce travail expérimental, une modélisation du contact entre deux PRFC a été réalisée. On suppose que l’aire réelle de contact est constituée d’une multitude de microcontacts de trois types : fibre-fibre, fibre-matrice et matrice-matrice. L’étude expérimentale a montré une légère augmentation de coefficient de frottement avec le changement d’orientation de fibre de deux composites de parallèle à perpendiculaire par rapport au sens de glissement, alors que le modèle analytique proposé prédit une indépendance de cet angle. Quant à l’influence de la fraction volumique de fibres, V_f, les essais soulignent une diminution de coefficient de frottement de moitié avec une augmentation de V_f de 0 % à 62 %, ce qui correspond à la dépendance qualitative trouvée dans le cadre du modèle.

Abstract

Carbon fibre reinforced polymers (CFRP) are well-known for the excellent combination of mechanical and thermal properties with light weight. However, their tribological properties are still largely uncovered. In this work an experimental study of friction between two CFRP at weak normal load (inferior to 20 N) was performed. Two effects were scrutinuously studied during the experiments: fibre volume friction and fibre orientation. In addition to this experimental work, a modelling of a contact between two FRP was realized. It is supposed that the real area of contact consists of a multitude of microcontacts of three types: fibre-fibre, fibre-matrix and matrix-matrix. The experimental work has shown a small rise in friction coefficient with the change of fibre orientation of two composites from parallel to perpendicular relative to the sliding direction. In parallel, the proposed analytical model predicts a independence of this angle. Regarding the influence of the fibre volume fraction, V_f, the experiments reveal a decrease in friction coefficient of 50% with a change of V_f from 0% to 62%. This observation corresponds to the qualitative dependence depicted with the model.