Résistance à l’usure de métaux et PCTFE en température cryogénique

Dans les environnements cryogéniques, les PTFE (polytétrafluoroéthylène) et les PCTFE (polychlorotrifluoroéthylène) sont les polymères fluorés les plus utilisés. Les polymères fluorés sont des polymères où les atomes ont été modifiés. Concrètement, par substitution, les atomes de fluor ont pris la place des atomes d’hydrogène. Ce procédé de substitution d’atomes a permis d’améliorer la résistance chimique et la tenue thermique du matériau. Par exemple, on peut observer que la propagation des flammes est retardée, voire inhibée, la tension superficielle critique est réduite et les caractéristiques diélectriques sont améliorées [31]. Dans de nombreuses applications, les polymères fluorés peuvent être utilisés pour remplacer les autres polymères moins résistants ou qui se dégradent facilement.

Dans le domaine spatial, notamment dans le secteur du développement des moteurs de propulsion spatiale, les techniciens utilisent de l’oxygène liquide. Pour ces experts, la connaissance des notions des mécanismes d’usure est primordiale et pour pouvoir développer des moteurs puissants et efficaces, le recours à l’oxygène liquide est indispensable, car c’est un des rares éléments qui ont les propriétés tribologiques : état liquide, réactivité et température cryogénique. Il faut donc savoir que, dans les environnements cryogéniques, les polymères sont généralement utilisés en tribologie où ils deviennent une sorte de lubrifiants solides.

Deux températures différentes et importantes conditionnent les propriétés des polymères, notamment les PTFE et les PCTFE : la température de transition vitreuse (Tg) et le point de fusion. La transition vitreuse, c’est la transition de l’état visqueux vers l’état caoutchouteux d’un polymère. Quand la température est inférieure à celle de la transition vitreuse (Tg), les polymères restent à l’état rigide : les macromolécules ne sont pas facilement déformables. Mais quand la température dépasse la température de transition vitreuse (Tg), les déformations sont plus faciles et deviennent plus importantes.

Dans un environnement où les températures sont inférieures à la température de transition vitreuse (Tg), les polymères gagnent en résistance en traction [27]. Mais aux températures cryogéniques, les polymères ont tendance à devenir moins résistants, plus fragiles. Toutefois, les polymères PTFE et PCTFE gardent une certaine ductilité quand ils sont exposés à des températures cryogéniques. Les polymères sont durs à basse température, mais cette dureté devient plus faible à température ambiante [37]. Quand à la conductivité thermique des polymères, elle est faible à température ambiante et se trouve encore plus réduite à basse température.

Il existe bon nombre d’études, dont la thèse « Comportement tribologique du contact PCTFE/acier 440C en azote de la température cryogénique », qui parlent des différentes réactions des polymères.