Note publique d'information : De nos jours, l'intérêt croissant pour les composites carbone-carbone (C/C), dans
un nombre important de contextes industriels, a conduit à une augmentation importante
des travaux de recherche visant à étudier de tels matériaux. Malgré le grand nombre
de travaux traitant de ce sujet, très peu de recherches ont été menées à ce jour sur
la relation entre la réponse en frottement des matériaux en C/C et l'apparition de
vibrations instables induites par frottement. Cependant, comprendre et prédire l'apparition
de phénomènes vibratoires indésirables, qui se produisent lors du contact de glissement
des composites en C/C, est l'un des plus grands défis à relever pour améliorer les
performances de freinage. De plus, l'impact significatif du troisième corps sur le
comportement tribologique de matériaux C/C nécessite une connaissance approfondie
des mécanismes rhéologiques affectant le coefficient de frottement et l'apparition
d'instabilités dynamiques de contact. Dans ce cadre de recherche, la présente thèse
de doctorat a pour objectif d'étudier et de caractériser l'apparition de vibrations
instables induites par frottement entre matériaux en C/C, et ceci pour différentes
conditions de contact. Le comportement en frottement, et sa relation avec l'apparition
d'instabilités dynamiques, a été étudié sur des tribomètres linéaires visant à caractériser
des éprouvettes en C/C dans des conditions aux limites contrôlées. Des bancs d'essais
ont permis d'étudier la réponse tribologique et vibratoire d'échantillons en C/C,
portée sur le rôle de la température (jusqu'à environ 500 °C) mais aussi de la vitesse
de glissement et de l'environnement d'essai. Des informations significatives, jusqu'à
présent absentes de la littérature, concernant la nature et les principales caractéristiques
des instabilités dynamiques causées par les matériaux en C/C en contact glissant,
sont présentées dans ce travail. De plus, des modèles numériques ont été développés,
afin d'étudier les principales caractéristiques des différents phénomènes vibratoires.
À cet égard, le présent travail propose une nouvelle approche, basée sur l'analyse
du déphasage entre les signaux vibratoires, afin de distinguer l'apparition d’un couplage
modal ou d’une instabilité due au gradient négatif frottement-vitesse, ainsi que la
coexistence des deux phénomènes. Une attention particulière est également portée sur
le rôle du troisième corps et son apport rhéologique. L'effet des contaminants métalliques
et non métalliques a été étudié en détail. La relation entre la contribution rhéologique
à la réponse en frottement et l'apparition d'instabilités dynamiques en présence de
conditions aux limites distinctes a ensuite été étudiée. Cette thèse de doctorat a
été réalisée en collaboration entre l'Université La Sapienza de Rome, au Département
d’Ingénierie Mécanique et Aérospatial (Rome, Italie) et l'Institut National des Sciences
Appliquées (INSA) de Lyon, au laboratoire LaMCoS (Lyon, France).
Note publique d'information : Nowadays, the growing interest in carbon-carbon (C/C) composites, in a significant
number of industrial contexts, has led to a major increase of research works aimed
to investigate such materials. Despite the large amount of works dealing with these
materials, very few researches have been carried out so far on the relationship between
the C/C frictional response and the onset of unstable friction-induced vibrations.
However, understanding and predicting the occurrence of undesired vibrational phenomena,
taking place during frictional contact of C/C composites, is one of the greatest challenges
in order to improve the overall braking performance. Moreover, the significant impact
of the third body on the C/C composite tribological behavior requires a deep insight
of the rheological mechanisms affecting the friction coefficient and the occurrence
of contact dynamic instabilities. Within this research framework, the present PhD
thesis aims to investigate and characterize the onset of unstable friction-induced
vibrations of C/C materials, under different contact conditions. Their frictional
response and its relationship with the occurrence of dynamic instabilities have been
investigated on linear tribometers aimed to characterize C/C specimens, under controlled
boundary conditions. The test benches have allowed studying the frictional and vibrational
response of C/C samples, with particular attention on the role of temperature, up
to almost 500 °C, sliding velocity and test environment. Meaningful information, so
far missing in the literature, concerning the nature and the main characteristics
of the dynamic instabilities caused by C/C materials in frictional contact, are presented
in this work. Moreover, numerical models have been developed, in order to investigate
the main features of the different vibrational phenomena. In this respect, the present
work proposes a novel approach, based on the analysis of the phase shift between vibrational
signals, in order to distinguish the onset of mode coupling or negative friction-velocity
slope instabilities, as well as the coexistence of both phenomena. Particular attention
is also given to the role of the third body and its rheological contribution. The
effect of metallic and non-metallic contaminants has been investigated as well, by
contaminating the frictional surface of C/C material samples, tested under controlled
boundary conditions. The relationship between the rheological contribution to the
frictional response and the onset of dynamic instabilities in presence of distinct
boundary conditions has been then investigated. This PhD thesis has been carried out
in collaboration between the Sapienza Università di Roma - Italie, at the Department
of Mechanical and Aerospace Engineering (Rome, Italy) and the Institut National des
Sciences Appliquées (INSA) of Lyon, at the laboratory LaMCoS (Lyon, France).
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