Soutenance mémoire
Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études
Imprégnation capillaire de matériaux poreux
Ce paragraphe propose de détailler les évolutions de ces lois fondamentales afin de rendre compte au plus près du comportement du liquide au sein de matériaux tels que les matériaux composites fibreux ou les empilements compacts de poudres. Les dispositifs expérimentaux utilisés afin de quantifier le suivi de hauteur ou de masse de liquide seront également évoqués dans cette partie. De nombreux auteurs ont étudié l’imprégnation de liquide au sein d’empilement de poudres ou de sable. Du fait des petites tailles de pores dans ces systèmes (correspondant à des hauteurs de Jurin hj très importantes), ces derniers utilisent principalement l’équation de Washburn en régime visqueux afin de comprendre le phénomène d’imbibition capillaire. Ce modèle est basé sur la linéarité entre le carré de l’évolution de la masse ou de la hauteur de liquide en fonction du temps. En 1982, White [85] a ainsi adapté la loi de Laplace reliant la différence de pressionP au rayon de pore en introduisant un rayon effectif reff directement caractéristique de la porosité de l’échantillon et des caractéristiques de la poudre : r 2(1) eff ..S p Où est la porosité du compact de poudre, est la masse volumique de la poudre et S p est la surface spécifique de la poudre.
En 1987, Ayala [86] étudie l’effet de tensio-actifs en réalisant dans un premier temps des imprégnations de fluides organiques, le toluène et le propanol et dans un second temps l’imprégnation de ces mêmes fluides en ajoutant des tensio-actifs. Ces essais sont réalisés dans des empilements de poudre de noir de carbone de distributions de taille de pores différentes. Ayala utilise pour son analyse le rayon effectif établi par White afin de calculer la différence de pression. Il introduit également un facteur k caractérisant la tortuosité du milieu poreux granulaire dans l’équation de Washburn en régime visqueux : h².r.cos( ).t k ².2
Gallet [87], Dang-Vu et Hupka [88] ont également utilisé l’ascension capillaire de liquide au sein de compacts de poudre. L’objectif de ces travaux résidait dans la détermination d’angle de mouillage de liquide partiellement mouillant.
Gallet a, par exemple, étudié la mouillabilité de l’eau dans des compacts réalisés à partir de carbonate de calcium. L’étude s’appuie expérimentalement sur le suivi de masse de liquide et par le traitement des données via la loi de Washburn modifiée : m 2 C 2 ..cos( )
Où Cw est un paramètre caractéristique de l’empilement de la poudre dans le tube dans lequel est réalisé l’imprégnation : CW (14 ) . d p .S 2
Où est la porosité du compact, d p est le diamètre moyen des particules, S est la section du tube et hk est la constante de Kozeny environ égale à 5.
Une première imprégnation est alors réalisée avec un fluide complètement mouillant, l’hexane, pour lequel cos( ) 1 . En connaissant les propriétés du fluide (, LV , ), la détermination de la pente de la courbe m²=f(t) permet ainsi de déduire la constante Cw caractéristique de l’empilement. Une seconde imprégnation peut ainsi être effectuée sur un échantillon possédant le même empilement (Cw considéré comme constant) avec un fluide partiellement mouillant, ici l’eau, afin de déduire l’angle de mouillage à l’aide de la pente m²/t. La difficulté réside ici à reproduire le même empilement de poudre sur les deux échantillons.
Dang-Vu et Hupka ont également utilisé une méthode par suivi de prise de masse (cf. Figure 26) afin de quantifier les angles de mouillage de l’eau, de l’éthanol et de différents alcanes sur des empilements à base de SiO2/Na2O/CaO. Une première imprégnation a été réalisée avec un fluide modèle complètement mouillant, le toluène.
Les propriétés du silicium liquide
Le silicium est classé dans la catégorie des éléments métalloïdes du fait de sa structure électronique ([Ne]3s23p2). Il appartient au groupe des semi-conducteurs. A l’état solide, il se présente sous forme cristalline cubique de type diamant. Son point de fusion dépend de sa pureté mais est proche de 1414°C, son enthalpie de fusion étant de 47kJ/mol. La masse volumique du silicium solide est de l’ordre de 2,33g/cm3 et augmente à 2,52g/cm3 lors de son passage à l’état liquide. Il fait ainsi partie, comme par exemple le bismuth, le germanium ou le gallium, des éléments pour lesquels la solidification se traduit par une augmentation du volume [104].
Les propriétés physiques du silicium liquide
Evolution de la masse volumique du silicium liquide
De nombreux auteurs ont évalué la variation de densité du silicium liquide en fonction de la température. Les techniques utilisées pour ces essais sont généralement basées sur la méthode de la goutte pendante (Sessile Drop Method ou SDM) ou sur des dispositifs permettant la lévitation de la goutte en fusion par forces électrostatiques ou électromagnétiques (ElectroStatic Levitator ou ElectroMagnetic Levitator ELS/EMS) (cf. Figure 41).
Les évolutions de la masse volumique du silicium liquide en fonction de la température sont présentées sur la Figure 42 [105], [106], [107], [108], [109], [110], [111].
Mouillage et réactivité du silicium liquide
Mouillage du silicium liquide
La mouillabilité du silicium liquide sur des substrats tels que le carbone ou le carbure de silicium est une donnée fondamentale pour la compréhension des phénomènes associés à la montée capillaire au sein des composites à matrice céramique.
Mouillage du silicium liquide sur substrat SiC
Nikolopoulos [122] a étudié ce phénomène sur trois types de substrats possédant des microstructures différentes :
Un substrat SiC-α dense obtenu par frittage ;
Un substrat monocristallin en SiC-α ;
Un dépôt en SiC-β obtenu par CVD sur un substrat en carbone.
La mouillabilité entre le silicium et le carbure de silicium est établie par mesure de l’angle de contact via la méthode de la goutte posée. L’expérience est menée sous atmosphère inerte d’argon.
Un angle de mouillage d’environ 38° a été déterminé sur substrats SiC-α près de la température de fusion du silicium. Un angle légèrement supérieur (42°) est observé sur substrat en SiC-β (cf. Figure 45). Un mouillage satisfaisant est donc obtenu pour les trois types de substrats utilisés.
Mouillage du silicium liquide sur substrat carbone
De nombreux auteurs ont étudié le mouillage du silicium liquide sur des substrats en carbone car il constitue une référence en matière de mouillage réactif. En effet, une couche de SiC se forme très rapidement à l’interface entre le silicium et le carbone entrainant une variation importante de l’angle de mouillage au cours de l’essai.
Plusieurs études ont été menées sur différents substrats de carbone. Li [128] et Whalen [123] ont observé le mouillage du silicium liquide sur du carbone vitreux. Li observe une décroissance de de 50 à 40° en 30 minutes tandis que Whalen décrit une diminution parabolique de l’angle de mouillage de 120 à 10° en une heure. Ces fortes variations sont attribuées par les auteurs à la formation de SiC au cours du mouillage.
Li a également mis en évidence l’importance de la rugosité des échantillons sur le mouillage en réalisant des essais de mouillage sur des substrats en graphite de rugosités de surface Ra différentes. Le meilleur mouillage est ainsi obtenu pour l’échantillon le plus rugueux (cf. Figure 46).
Figure 46. Evolution de l’angle de mouillage θ du silicium liquide sur substrats en graphite de rugosités Ra différentes Dezellus et al.[129] ont réalisé des essais de mouillage sur substrats en carbone vitreux et sur pseudo mono-cristal de graphite sous vide. Des angles de mouillage de 146° et 120° ont été obtenus sur les premiers temps de l’essai. Ces valeurs tendent vers un angle d’équilibre de 35° sur les deux matériaux en fin d’essai, angle caractéristique du mouillage entre le silicium liquide et le carbure de silicium.
Réactivité du silicium liquide
Afin de limiter l’étude sur la réactivité du silicium liquide dans la littérature, cette partie sera focalisée exclusivement sur le système Si/C/SiC.
Ce diagramme présente un seul composé défini à fusion non congruente, le carbure de silicium ou SiC. Ce dernier existe sous 7 formes allotropiques et plus de 25 polytypes. Les formes les plus rencontrées sont :
Le carbure de silicium SiC-β ou 3C-SiC de structure cubique ;
Le carbure de silicium SiC-α de structure hexagonale, dont les formes les plus répandues sont les formes 2H, 4H et 6H ;
Le carbure de silicium 15R-SiC de structure rhomboédrique.
Réactivité du silicium liquide avec le SiC
D’après le diagramme de phases, le carbure de silicium est en équilibre avec le silicium liquide contenant une quantité variable de carbone en fonction de la température. Très peu de travaux dans la littérature se sont attardés sur l’interaction entre ces deux éléments. Yupko [131] a tout de même réalisé des essais mettant en avant l’interaction entre le silicium liquide et le carbure de silicium. Il observe notamment une dissolution partielle du SiC avec l’apparition de piqures de corrosion. Le SiC est également corrodé, à 1600°C, par la présence de vapeurs de silicium.
Fitzer [132] étudie également la réactivité du SiC vis-à-vis du silicium liquide en utilisant des fibres de SiC produites à partir de polycarbosilane ou par CVD. Il observe après 5 minutes à 1600°C une dissolution et reprécipitation complète des fibres élaborées à partir du polycarbosilane. Le même résultat est obtenu pour les fibres réalisées par CVD avec une cinétique plus lente.
Plus récemment, Roger [133] a étudié la réactivité du silicium liquide sur des substrats de SiC-α frittés d’une part et sur des substrats de SiC revêtus d’une couche fine de SiC-β déposée par CVD. Sur ces deux matériaux d’étude, des phénomènes de dissolution/reprécipitation du SiC ont été observés avec la présence de gros cristaux facettés présents à la fin d’expérience. Ces processus semblent exacerbés par la présence de gradients thermiques engendrés notamment par le refroidissement local du silicium liquide par convection avec le flux d’argon utilisé pour ces essais.
Réactivité du silicium liquide avec le carbone
La réaction chimique entre le silicium liquide et le carbone mène à la formation de SiC-β. Fitzer [134] a estimé l’enthalpie de formation du SiC àH2980 69/ 73kJ.mol1 . Pampuch [135] quant à lui mesure une chaleur de réaction QR115kJ.mol1 . Cette réaction exothermique dépend fortement de la microstructure et de la densité relative du carbone [53], [49].
Deux mécanismes de réaction sont généralement proposés dans la littérature :
Mécanisme n°1 : Le silicium liquide dissout le carbone et des cristaux de β-SiC précipitent à partir du silicium liquide sursaturé en C [43], [44], [135].
Mécanisme n°2 : Ce mécanisme est décrit en deux étapes. Une première étape où le carbone est dissous instantanément dans le silicium liquide pour former des clusters de Si-C qui s’adsorbent à la surface du carbone. La seconde étape consiste en la croissance de SiC par germination hétérogène pour former une couche continue bidimensionnelle en SiC. Une croissance plus lente de cette couche est ensuite assurée par diffusion du C et du Si à travers cette dernière [132], [136], [128].
Israel [137] a également étudié les mécanismes de formation du SiC par l’intermédiaire d’essais de mouillage du silicium sur substrats poreux en carbone. Des expériences sur carbone vitreux et graphite ont été effectuées. Des analyses par microscopie électronique à balayage (MEB) ont permis de mettre en évidence la présence de plusieurs couches de compositions différentes à l’interface Si/C (cf. Figure 48).
Etude de la montée capillaire du silicium liquide
Ce paragraphe a pour objectif de présenter les travaux associés à la compréhension de la montée capillaire du silicium liquide dans des matériaux poreux carbonés ou en carbure de silicium.
Des études purement théoriques ont été publiées quant à la compréhension de ce phénomène [141], [142], [143], [144]. Afin de limiter la synthèse, cette partie sera focalisée sur les travaux couplant une approche théorique à une partie expérimentale de suivi du front de silicium liquide. En 1997, Einset [99] fut un des premiers à réaliser une étude de la progression capillaire du silicium liquide au sein de préformes poreuses en carbone. Pour cela, il utilise trois thermocouples positionnés à 0,2cm, 1,2cm et 2,85cm par rapport au bord de l’échantillon (cf. Figure 52).
Le passage du silicium liquide au niveau de chaque thermocouple (désigné par TC# sur la Figure 53) est alors identifié par une forte augmentation de la température (environ 200 degrés) due à la réaction exothermique entre le carbone et le silicium liquide (cf. Figure 53).
La détermination expérimentale de la progression du silicium liquide est ensuite couplée à la résolution d’équations basées sur la conservation de la masse et de l’énergie du système et dont les inconnues sont la saturation , la porosité et la températureT . Ces dernières sont basées sur l’équation de Richards relatives à la vitesse d’écoulement d’un fluide dans un milieu poreux non-saturé.
La perméabilité du matériau est déterminée en fonction du modèle à deux tailles de pores inspiré par les travaux de Dullien et déjà utilisé au cours de précédents travaux [100]. La prise en compte de la réaction entre le silicium et le carbone est intégrée, d’une part, dans la résolution de l’équation de la chaleur garantissant la conservation de l’énergie et, d’autre part, dans l’évolution de la perméabilité à travers la réduction de la taille des deux pores caractéristiques par la formation d’une couche de SiC d’épaisseur . Dans ce modèle, Einset considère que la montée capillaire est limitée par les forces visqueuses et l’aspect réactif n’entraine qu’une formation instantanée d’une couche d’épaisseur au contact entre le silicium et le carbone, cette dernière restant constante ensuite tout au long de l’essai.
Des thermocouples , positionnés à différentes hauteurs dans l’échantillon, ont également été utilisés par Sangsuwan [53] pour déterminer le suivi du front du silicium liquide au sein de préformes en C. Ces derniers, en alliage tungstène/rhénium sont ensuite recouverts d’une gaine protectrice en alumine. La préforme en carbone est revêtue d’une couche de nitrure de bore (BN), produit anti-mouillant vis-à-vis du silicium liquide et empêchant la migration préférentielle de ce dernier sur les faces de l’échantillon. Le silicium est contenu dans un creuset en quartz et la température du liquide est déterminée par l’intermédiaire d’un thermocouple supplémentaire. Le chauffage du four est réalisé par induction électromagnétique via un suscepteur en graphite (cf. Figure 54).
La progression du silicium a également été détectée par l’élévation de température due à l’exothermicité de la réaction. Des variations de température de près de 600°C ont ainsi pu être observées entre la zone réactionnelle et la température consigne de l’essai.
Le traitement des données expérimentales est réalisé à partir de l’équation de Washburn en négligeant les forces de gravité : h 2t Avec d P . LV .cos( )
Kumar [145] a également étudié le suivi de montée capillaire du silicium au sein de préformes C/C. L’échantillon est suspendu à l’intérieur du four l’aide d’une tresse en C/C. Une pompe est utilisée afin de réaliser les imprégnations sous vide. Le contrôle de la température dans le four est assuré par l’utilisation de deux thermocouples. Le silicium est contenu dans un creuset lui-même fixé à un vérin hydraulique permettant la translation de ce dernier (cf. Figure 55). L’utilisation du vérin permet ainsi de contrôler la durée de la montée capillaire en figeant le temps de contact entre le liquide et l’échantillon.
Kumar a ainsi déterminé la cinétique de progression du silicium en réalisant des essais de montée capillaire sur des temps différents à une température de 1650°C. Le front de silicium a ensuite été détecté par radiographie X. La Figure 56 permet de constater que la saturation des échantillons de 15cm de hauteur intervient en moins de 3 minutes d’imprégnation.
L’approche théorique est basée sur l’équation de Washburn modifiée utilisant un modèle à deux tailles de pores, modèle déjà utilisé par Kumar pour la montée capillaire non-réactive de solvants organiques dans ces mêmes préformes [103] : 2. LV .cos( ) 8..h dh .g.h
L’aspect réactif de la montée capillaire lié à l’utilisation du silicium est intégré dans cette équation par une évolution dans le temps des deux tailles de pores r1 et r2 :
r1 (t) r1,0 M t
r2 (t) r2,0 M t
Où r2,0 sont les deux rayons initiaux de taille de pores et M est une constante associée à la formation de SiC à l’interface entre le Si et le C et dépend notamment du volume de SiC formé et du coefficient de diffusion du silicium dans le SiC.
La dépendance en racine carré du temps de l’évolution de ces deux tailles de pores est à corréler à la cinétique de croissance lente de la couche de SiC limitée par la diffusion des espèces à travers cette dernière [146].
Positionnement du sujet
Ce premier chapitre a permis de dresser un état de l’art concernant le procédé de montée capillaire de liquide, dont le silicium, au sein de matériaux poreux. Les dispositifs expérimentaux ainsi que les traitements des courbes d’imprégnation en découlant ont pu être présentés et comparés aux lois fondamentales de l’imbibition capillaire.
L’objet de ce travail est d’étudier les scénarii de montée capillaire du silicium afin d’en déduire les conditions optimales pour l’élaboration du composite selon l’architecture et la composition de la préforme. Le matériau initial est constitué d’une préforme fibreuse 3D tissée, pré-densifiée par voie CVI, puis infiltrée par une barbotine contenant une poudre de carbure de silicium submicronique. La dernière opération est consacrée à l’imprégnation de silicium liquide.
Dans une première partie, les travaux vont porter sur la définition de l’architecture poreuse du matériau. Des essais associés à des techniques de caractérisation conventionnelles telles que la pycnométrie hélium ou la porosimétrie mercure vont ainsi être réalisés. En complément, des expériences d’imprégnation capillaire avec des fluides modèles (totalement mouillants) ont été menées afin de définir des tailles de pores caractéristiques du composite. Un dispositif expérimental a été mis en place afin d’assurer le suivi couplé de prise de masse et du front du liquide modèle à température ambiante.
Dans un second temps, des imprégnations de ces préformes par le silicium liquide sont réalisées sur composites. Un four a été conçu au cours de la thèse afin d’observer le suivi in-situ de la prise de masse en silicium au cours de l’essai. Les résultats expérimentaux sont ensuite comparés aux courbes prévisionnelles d’imprégnation déduites du traitement des expériences sur solvants modèles.
Opérations liées au procédé CVI
La première étape de CVI consiste à déposer une interphase en Pyrocarbone (PyC) jouant le rôle de déviateur de fissures au sein du matériau composite. Cette dernière est obtenue par décomposition d’un mélange d’hydrocarbures légers comme le méthane CH4 ou le propane C3H8.
L’élaboration de ce dépôt est effectuée à des températures modérées (entre 900°C et 1100°C) sous pression réduite.
Une seconde étape de CVI permet de déposer une couche de SiC, appelée couche de pré-densification du matériau, en amont des étapes par voies céramique et liquide.
Cette couche est obtenue à partir de la décomposition du MéthylTrichloroSilane (MTS, de formule CH3SiCl3) en présence de dihydrogène.
Une température comprise entre 900°C et 1100°C et une pression réduite sont également utilisées comme conditions expérimentales d’élaboration du SiC.
L’ensemble des opérations de CVI est réalisé sur le site du Haillan de Safran Herakles.
Imprégnation de la préforme par Aspiration de Poudres Submicroniques (APS)
L’APS est la première opération de densification du matériau composite. Elle vise à réduire les macroporosités de la préforme par l’imprégnation d’une poudre submicronique. Elle entre dans la catégorie des procédés céramiques avec la mise en œuvre d’une barbotine qui imprègne la préforme pré-densifiée.
La démarche de l’étude étant axée sur les mécanismes de montée capillaire et non sur l’optimisation de la composition de la matrice à travers la réduction de la présence de silicium libre par ajout de carbone, la barbotine sera constituée uniquement de particules de SiC. La présence exclusive de SiC au sein de la matrice permettra de réduire au maximum les effets réactifs susceptibles d’apparaitre au cours de l’imprégnation du silicium liquide et ainsi, de se focaliser sur les seuls effets associés au phénomène de capillarité.
Préparation de la barbotine
L’imprégnation de la poudre de SiC au sein de la préforme pré-densifiée par CVI est obtenue par le biais d’une suspension d’une poudre de SiC de granulométrie adéquate. Des travaux antérieurs ont été menés au LCTS et ont permis de mettre au point et d’optimiser la phase d’élaboration de la barbotine [22]. Cette dernière doit posséder les caractéristiques suivantes :
Ne pas présenter d’agglomération entre particules de SiC ;
Etre stable (pas de sédimentation) sur un temps suffisamment long pour permettre son imprégnation ;
Etre la plus fluide possible afin d’obtenir une imprégnation totale du composite.
Afin de garantir la réussite de ces trois critères, la suspension est élaborée par mélange entre un solvant, un dispersant et la poudre de SiC. Le couple eau/TEAH (Tetra Ethyl Ammonium Hydrodyde) a été retenu pour les deux premiers constituants.
La poudre de SiC de référence utilisée dans le procédé APS est la poudre MT59 élaborée par la société Marion Technologies. Cette dernière possède une pureté élevée (>99%) et sa granulométrie, submicronique, permet une imprégnation dans l’ensemble de l’architecture poreuse de la préforme fibreuse.
Le Tableau 4 présente les proportions massiques retenues pour chacun des constituants pour l’élaboration d’une barbotine chargée de 20%volumique de poudre.
Densification du composite par imprégnation de silicium liquide via le procédé MI
Cette étape peut-être décomposée par la succession de deux opérations réalisées au cours du même cycle thermique :
Une montée en température suivie d’un palier appelés Traitement Haute Température (THT) permettant la consolidation des particules de SiC introduites par APS. Ce traitement, désigné sous l’appellation THT(HKS) ou THT(LCTS) dans la suite du document, est effectué à une température inférieure à la température d’imprégnation du silicium liquide. Le THT(HKS) est effectué sous pression partielle d’Argon.
Une seconde montée en température jusqu’à la température d’imprégnation du silicium liquide. L’ensemble des imprégnations de silicium liquide effectué au cours de la thèse a été réalisé au sein d’un four conçu au LCTS. Une description détaillée de ce moyen sera présentée dans le paragraphe Matériels & Méthodes du chapitre II. Ces essais ont été effectués sous vide primaire ou sous pression partielle d’Argon pour des températures d’imprégnation comprises entre 1450°C et 1550°C.
Matériels et méthodes
Sélection des matériaux d’étude et démarche de travail
La complexité de l’architecture poreuse du matériau, définie par une ossature fibreuse intimement liée à un milieu granulaire, rend très difficile l’analyse et la description de l’espace poral. Il est par conséquent très périlleux de prévoir les phénomènes d’écoulement de fluide dans ce type d’échantillon. Afin de faciliter la compréhension des phénomènes de montée capillaire, les travaux ont ainsi été dissociés en trois axes dont les deux premiers constituent des études amont sur matériaux élémentaires :
Matériau d’étude n°1 : Préforme fibreuse après pré-densification par CVI ;
Matériau d’étude n°2 : Compact de poudre SiC réalisé par APS ;
Matériau d’étude n°3 : Préforme fibreuse chargée en poudre SiC.
La Figure 60 présente une photographie des trois types de matériaux étudiés au cours de la
thèse.
Les deux premières études permettent ainsi de travailler d’une part sur un matériau fibreux seul (matériau d’étude n°1) et d’autre part sur un matériau décrit par un empilement granulaire (matériau d’étude n°2). La dernière étude, sur matériau complet, pourra ainsi être nourrie par les enseignements obtenus sur matériaux élémentaires. L’effet du traitement de consolidation sur ces matériaux d’étude sera également abordé dans le présent document.
Les dimensions de ces matériaux d’étude ont été sélectionnées afin de satisfaire aux contraintes liées au dimensionnement du four et à l’appareillage prévu sur le four d’imprégnation mise en place au LCTS. Ainsi, les dimensions retenues sur les matériaux n°1 et 3 sont :
Longueur : 100mm, afin d’obtenir une hauteur de montée capillaire équivalente à la dimension des pièces visées par cette application;
Epaisseur : environ 3mm, côte conditionnée par l’épaisseur d’une plaque ;
Largeur : 10mm, la dernière côte est calculée afin d’obtenir un volume poreux total suffisamment faible pour que la microbalance prévue dans le dispositif expérimental puisse couvrir l’intégralité de la prise de masse en silicium liquide durant le procédé MI*.
* : la variation de masse maximale pour la microbalance utilisée est de 4g.
Pour des raisons pratiques de mise en œuvre des compacts de poudre SiC, les dimensions de des matériaux d’étude n°2 seront légèrement différentes avec une longueur d’environ 90mm, une largeur de 20mm et une épaisseur d’environ 4mm.
Ces compacts de poudre sont obtenus par APS dans les mêmes conditions que celles utilisées pour l’imprégnation d’une préforme fibreuse. Ils sont réalisés à partir de l’empilement des particules de SiC de la barbotine sur le filtre positionné dans le dispositif. L’obtention d’une géométrie contrôlée des compacts est possible par l’utilisation de masques permettant de bien répartir et compartimenter la suspension.
Le fait de travailler sur matériaux élémentaires permettra également d’étudier des problématiques spécifiques associées à chacun de ces deux milieux poreux. En effet, les travaux prévus sur préformes fibreuses stade CVI permettront d’une part de pouvoir dissocier les phénomènes d’écoulement au sein de la double échelle de porosité constituée par les fils et les macroporosités et d’autre part, d’observer une éventuelle influence du sens d’imprégnation (selon la direction des fils de chaine ou de trame) sur les cinétiques de montée capillaire.
Les essais menés sur compacts de poudre offrent quant à eux la possibilité d’analyser la corrélation entre la taille des particules et la porosité des compacts obtenus. L’influence du gradient de pression utilisé pendant l’opération d’APS sur l’empilement obtenu sera également considérée dans cette étude. Enfin, une dernière partie met en avant l’influence du THT de consolidation sur l’évolution du réseau poral au sein du compact. Le Tableau 5 résume les différents matériaux d’étude sélectionnés ainsi que les paramètres évalués au cours des travaux.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Synthèse bibliographique et contexte scientifique
I Les composites à matrice céramique (CMC)
I.A. Définition du matériau composite
I.B. Généralités sur les composites à matrice céramique (CMC)
I.B.1. Les domaines d’application des CMC
I.B.2. Composition des composites à matrice céramique
I.B.3. Les procédés d’élaboration de la matrice à base de SiC
II Procédés d’élaboration par imprégnation de silicium liquide
II.A. Les céramiques RSBC
II.B. Les composites SiC/SiC-Si
II.C. Mouillage, capillarité et lois d’imprégnation
II.C.1. Tension de surface et mouillage
II.C.2. Loi de Laplace – Pression capillaire
II.C.3. Dynamique de l’imprégnation capillaire
II.D. Imprégnation capillaire de matériaux poreux
III Les propriétés du silicium liquide
III.A. Les propriétés physiques du silicium liquide
III.A.1. Evolution de la masse volumique du silicium liquide
III.A.2. Evolution de la tension de surface du silicium liquide
III.A.3. Evolution de la viscosité en fonction de la température
III.B. Mouillage et réactivité du silicium liquide
III.B.1. Mouillage du silicium liquide
III.B.2. Réactivité du silicium liquide
IV Etude de la montée capillaire du silicium liquide
Chapitre II : Matériaux, matériels et méthode
I Description du procédé SCMI (Slurry Cast Melt Infiltration)
I.A. La préforme fibreuse en SiC
I.B. Opérations liées au procédé CVI
I.C. Imprégnation de la préforme par Aspiration de Poudres Submicroniques (APS)
I.C.1. Préparation de la barbotine
I.C.2. Imprégnation de la barbotine de poudre SiC
I.D. Densification du composite par imprégnation de silicium liquide via le procédé MI
II Matériels et méthodes
II.A. Sélection des matériaux d’étude et démarche de travail
II.B. Techniques expérimentales
II.B.1. Techniques associées à l’élaboration des matériaux
II.B.2. Techniques associées à la caractérisation des matériaux
III Conclusion
Chapitre III : Caractérisation du réseau poral et étude de la montée capillaire d’un fluide modèle
I Introduction
II Travaux réalisés sur préformes stade CVI sur plaques PL3196 et 3197
II.A. Détermination de la porosité des préformes stade CVI
II.A.1. Résultats obtenus par les techniques de porosimétrie et pycnométrie.
II.A.2. Distribution de tailles de pores des préformes stade CVI
II.B. Imprégnation de solvants modèles dans les préformes stade CVI
II.B.1. Description de la progression de l’hexadécane dans les préformes stade CVI
III Travaux sur compacts de poudre de SiC
III.A. Influence du ΔP appliqué au cours de l’opération d’APS
III.A.1. Sélection des conditions utilisées pour ces travaux
III.A.2. Caractérisation de la porosité des compacts de poudre
III.A.3. Imprégnations d’hexadécane dans les compacts de poudre SiC
III.B. Influence du THT sur le réseau poral des compacts de poudre SiC
III.B.1. Evolution du réseau poral au cours du THT
III.B.2. Imprégnation d’hexadécane sur compacts MT59 après THT
III.B.3. Prévision des cinétiques d’imprégnation du silicium au sein des compacts de poudre MT59
III.B.4. Conclusion sur l’étude sur compacts de poudre MT59
IV Travaux sur préformes stade APS
IV.A. Définition de l’architecture poreuse des préformes stade APS
IV.B. Imprégnations de l’hexadécane au sein des préformes stade APS
IV.C. Influence du THT sur les préformes stade APS
V Conclusion
Chapitre IV : Imprégnation capillaire du silicium liquide au sein des matériaux d’étude
I Imprégnation capillaire du silicium liquide au sein de préformes au stade CVI
I.A. Suivi in-situ de la prise de masse en silicium au sein de préformes stade CVI
I.B. Caractérisations des préformes stade CVI imprégnées par le silicium
I.C. Compréhension des mécanismes de montée capillaire du silicium au sein des préformes stade CVI
II Imprégnation capillaire de silicium liquide au sein de compact de poudre SiC MT59
II.A. Suivi in-situ de prise de masse en silicium liquide au sein de compact de poudre SiC MT59
II.B. Caractérisations après imprégnation par le silicium liquide
II.C. Interaction du silicium liquide avec les grains de SiC
III Travaux d’imprégnation capillaire du silicium au sein de préformes stade APS
III.A. Résultats des imprégnations sous vide
III.A.1. Suivi in-situ des imprégnations du silicium liquide
III.A.2. Caractérisations des préformes imprégnées
III.A.3. Détermination de deff à partir des imprégnations du silicium liquide
III.A.4. Interaction chimique entre le silicium liquide et les préformes stade APS
III.B. Influence de la température et des conditions environnementales sur la montée capillaire 188
III.B.1. Description des conditions expérimentales
III.B.2. Suivi in-situ de la prise de masse en silicium liquide
III.B.3. Interprétation des cinétiques de prise de masse en silicium sur la montée capillaire du silicium
III.C. Etude des mécanismes de montée capillaire du silicium au sein des préformes stade APS..
IV Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
Télécharger le rapport complet
