Céramiques hautes performances pour voitures
Des freins high end pour la Cinquecento?
Un projet murit actuellement dans le laboratoire Céramiques hautes performances: des disques de freins en céramique pour les voitures de petite cylindrée. En collaboration avec des partenaires italiens, espagnols et liechtensteinois, les scientifiques de l’Empa travaillent au développement de la technique automobile de demain. Le défi: cette solution high-tech est-elle aussi réalisable à des coûts suffisamment bas ?
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| Les voitures posséderont-elles bientôt freins bien plus légers? Alors qu’aujourd’hui les disques des freins sont en fonte résistant bien à la chaleur mais fort lourde, ces disques pourraient à l’avenir être réalisés en aluminium bien plus léger. Ceci permettrait d’économiser du poids et ainsi aussi du carburant et encore en même temps d’améliorer le comportement routier des voitures en réduisant leur masse non suspendue. | ||||
| Mais avant que ces freins léger deviennent réalité, il s’agit de résoudre un problème de matériau: l’aluminium que l’on se propose d’utiliser est mou et donc pas apte à supporter le serrage brutal des plaquettes sur le disque. Il faut donc protéger le disque d’aluminium en le recouvrant d’une couche de céramique qui assume le travail de friction et évacue la chaleur. Et c’est l’Empa qui développe cette pièce essentielle pour cette réalisation. | ||||
| Les freins céramiques ne sont en soi pas nouveaux. Ils sont déjà depuis longtemps en action sur les voitures de sport et de compétition. Seulement ils sont très chers. Sur la Posrche 911 par exemple, des freins en composite céramique fibre de carbone sont une option qui coûte la bagatelle de 12'000 francs. Un prix pour lequel on peut presque déjà acheter une Fiat 500. Cette technique ne semble donc guère appropriée pour les voitures de petite cylindrée bon marché. | ||||
| Plusieurs obstacles techniques à franchir simultanément L’Empa doit contribuer à faire devenir réalité ce qui semble impossible: sous la direction du «Politecnico di Torino» et en collaboration avec le fabricant de freins espagnol Fagor Ederlan, le spécialiste du brasage liechtensteinois Listemann AG et du Centro Ricerche Fiat, un disque de frein d’un type nouveau doit être crée pour les petites voitures de grande série grâce au savoir-faire de l’Empa. C’est la CTI qui finance la partie de ce projet assumée par la Suisse et le Liechtenstein. Ce frein doit pouvoir être produit facilement en grandes quantités, il ne doit pas être cher et tenir au moins aussi longtemps que les freins courants actuels en fonte. Pour le spécialiste en céramique de l’Empa, Jakob Kübler, ce furent là plusieurs obstacles à franchir simultanément. «Pour commencer nous avons tout d’abords dû rechercher un matériau céramique bon marché qui conduise bien la chaleur et qui soit aussi facile à façonner», comme l’explique ce chercheur. L’oxyde de zirconium n’entrait pas en ligne de compte, il est trop isolant. Le carbure de silicium conduit bien la chaleur mais il est trop fragile. Il ne restait plus alors que l’oxyde d’aluminium. Ce matériau bon marché s’utilise pour produire de nombreuses pièces en céramiques que l’on trouve un peu partout, du robinet à la prothèse de hanche. | ||||
| A partir de là, Kübler et son équipe ont conçu un stratifié céramique - une plaque de céramique d’environ deux millimètres d’épaisseur qui comporte jusqu’à 15 couches: des couches de carbure de silicium sont intercalées entre les couches d’oxyde d’aluminium pour accroître la conductibilité thermique, une couche de couverture vient régulariser l’usure et une couche d’adhésion inférieure est encore ajoutée pour que le stratifié puisse être brasé sur l’aluminium. Chaque couche est produite à partir de barbotine étalée sur une feuille de polymère. Les différentes couches sont ensuite empilées puis comprimées à une température de plusieurs centaines de degrés, ce qui calcine les feuilles polymères et assure la réticulation des couches entre elles. Le microscope électronique permet ensuite de contrôler la bonne réticulation des couches entre elles. | ||||
| Le consortium de recherche a opté pour la fabrication de petits carreaux qui sont brasés les uns à côté des autres sur le disque en aluminium, un peu à la manière du carrelage d’une salle de bain. La raison à cela: sous l’effet de la chaleur, l’aluminium se dilate trois à quatre fois plus que la céramique. Un revêtement céramique monolithique se dissocierait du support en aluminium du fait des fissures de tension thermiques. Mais le brasage de ces petits carreaux n’est pas une affaire simple: l’aluminium fond à environ 660 degrés et il faut donc que le brasage s’effectue à des températures inférieures. Malgré cela, la brasure ne doit pas se ramollir lors d’une freinage brutal sinon les carreaux se décolleraient précisément lorsque on en a le plus urgent besoin. | ||||
| Il a donc fallu réaliser différents «mélanges» de céramiques. Kübler et son équipe doivent sans cesse tenir compte des résultats obtenus par les spécialistes du brasage de Turin, optimiser encore leur stratifié et livrer de nouveaux échantillons. Et ils leur faut encore veiller aux coûts déjà au niveau de la conception: les procédés coûteux tels que les procédés sous vide ou sous gaz protecteurs sont proscrit car ils ne se prêtent pas à une production de masse. | ||||
| La firme Listemann AG à Vaduz développe de son côté le procédé de brasage industriel des carreaux. Le fabricant de freins Fagor Ederlan se charge lui de la conception du système de freinage et du dimensionnement des disques. A la fin du projet – en avril 2015– des prototypes de ce frein seront disponibles et testés sous toutes leurs coutures sur banc d’essai pour être ensuite montés sur un véhicule test. Et si ce frein fait ses preuves, on disposera dans quelques années d’un composant de série qui assurera aux voitures européennes une avance sur le marché mondial. | ||||
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