Soutenance mémoire
Généralités sur les composites à matrice céramique (CMC)
De la céramique monolithique aux CMC
Propriétés et défauts des céramiques monolithiques
Le nom de céramique vient du grec ancien « Keramos » signifiant « terre à potier». C’est un matériau utilisé depuis les premières applications domestiques au néolithique, jusqu’aux fusées et satellites actuels. Par définition les céramiques sont des matériaux non métalliques, non organiques, obtenus par l’action de températures élevées. Si à l’origine, l’argile constituait la matière première de base (céramiques traditionnelles), l’emploi de nouvelles matières premières naturelles ou synthétiques a favorisé l’essor des céramiques techniques employées dans de très nombreux secteurs d’activité tels que la médecine, l’énergie, l’électronique et bien entendu, l’aéronautique et le spatial.
Les céramiques se distinguent de tous les autres matériaux par la nature covalente et/ou ionique des liaisons entre les atomes qui les constituent, leur conférant une résistance élevée, une grande dureté, une faible densité ainsi que d’excellentes stabilités thermiques et chimiques. En effet, elles conservent des propriétés mécaniques acceptables jusqu’à des températures très élevées (de l’ordre de 1400°C à 1500°C pour certains carbures) [Baïlon, 00]. Enfin, elles sont généralement caractérisées par une faible conductivité thermique (bonne isolation thermique). Les propriétés remarquables des céramiques rendent leurs applications très attractives en tant que matériaux de structure et tout particulièrement dans le domaine de l’aéronautique et du spatial où de nombreuses pièces doivent fonctionner dans un milieu oxydant, sous des sollicitations mécaniques et thermiques sévères.
En revanche, la fragilité, la faible ténacité et la faible résistance aux chocs de ces matériaux sont les points les plus critiques concernant leur utilisation. A titre d’exemple, les métaux grâce à leur ductilité et leur déformation plastique, empêchent la formation d’importantes concentrations de contraintes lors d’efforts mécaniques. En raison de la nature iono-covalente des liaisons d’une céramique, ce mécanisme est absent. Par conséquent, la déformation maximale autorisée lors d’une charge est très faible et mène rapidement à la formation de concentration de contraintes en fond de fissures, les faisant se propager avec une faible énergie et aboutissant à la ruine prématurée du matériau [Dupeux, 04].
Cependant, devant le potentiel que représente cette classe de matériaux, de nombreux programmes de recherches ont été développés pour tenter de remédier à leur caractère fragile. Deux approches en ce sens sont conduites : la première consiste à diminuer la taille des défauts dans le matériau pour augmenter sa résistance mécanique. Or, ces défauts peuvent se développer à tous les stades de la vie d’une céramique monolithique (élaboration, usinage, mise en service…). De plus, la taille et la distribution des défauts étant aléatoires, une grande dispersion de la résistance à la rupture est observée. La production et l’utilisation de céramique ne comprenant aucun défaut n’est donc pas envisageable. La solution consiste donc à fabriquer des céramiques avec une microstructure à défauts tolérés tels que les composites à matrice céramique.
Définition générale d’un matériau composite
Un matériau composite se définit comme l’assemblage de deux ou plusieurs matériaux de natures différentes, se complétant et permettant d’aboutir à un matériau dont les performances sont supérieures à celles des composants pris séparément. Un matériau composite est principalement constitué d’un renfort et d’une matrice. En fonction de la forme des renforts, les composites à matrice céramique sont classés en deux catégories :
– les composites particulaires : les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétés du matériau telles que la conductivité thermique ou électrique par exemple.
– les composites fibreux : le renfort est dans ce cas constitué de fibres discontinues ou continues, améliorant principalement le comportement mécanique du matériau. Les composites composés de courtes fibres discontinues (whiskers) ont des propriétés supérieures à celles des céramiques monolithiques. En effet, en incorporant ce type de fibre dans une matrice céramique, la ténacité du matériau est améliorée et la dispersion de la contrainte à rupture est réduite [Wang, 98]. Les fibres continues assurent, quant à elles, la rigidité et la résistance à rupture du matériau composite. Elles supportent l’essentiel de l’effort mécanique.
L’amélioration des céramiques monolithiques est donc possible en les associant avec un renfort fibreux supportant la charge mécanique de l’ensemble, et en incorporant des éléments susceptibles de dévier les fissures au voisinage des fibres. Les composites à matrice céramique introduisent un progrès important par rapport aux céramiques monolithiques. Les CMC renforcés par des fibres longues ou continues représentent actuellement la solution la plus prometteuse pour aboutir à des matériaux de structure exploitables à haute température (composites thermostructuraux) et présentant une tolérance à l’endommagement.
Définition d’un composite à matrice céramique
Un composite à matrice céramique est constitué d’une matrice et d’un renfort fibreux en céramique, séparés par une interphase.
L’architecture fibreuse
Les différents types de fibres
L’intégration d’un renfort fibreux dans une matrice céramique permet d’améliorer considérablement la faible ténacité de la matrice tout en conservant la rigidité intrinsèquement élevée du matériau. Les différents types de renforts fibreux se distinguent par la géométrie des fibres (fibres courtes, fibres longues) mais aussi par leur disposition (assemblage 1D, feutres, tissage 2D ou 3D, structure aiguilletée 3D) et par leur nature [Dupeux, 04], [Gay, 97], [Christin, 05]. Elles sont choisies selon des critères de légèreté, de rigidité, de stabilité thermique ou chimique, de facilité de tissage mais aussi en fonction de leur prix.
Deux types de fibres sont principalement utilisés pour renforcer une matrice céramique : les fibres de carbone et les fibres de carbure de silicium (SiC). Les fibres de carbone sont bon marché, possèdent une excellente stabilité et conductivité thermique mais sont également extrêmement sensibles à l’oxydation à partir de 400°C. Les fibres de carbure de silicium sont, quant à elles, plus rigides et plus résistantes à l’oxydation [Naslain, 03].
Ils existent d’autres types de fibres comme les fibres oxydes (Al2O3, SiO2, ZrO2…) présentant l’avantage d’être intrinsèquement inertes en atmosphère oxydante. Elles sont néanmoins sujettes à la croissance des grains ainsi qu’au fluage et leurs propriétés mécaniques au-dessus de 1000°C sont faibles [Bunsell, 00].
Les fibres de carbure de silicium
Les premières fibres à base de carbure de silicium ont été développées dans les années 70 par Yajima et al. [Yajima, 76] [Yajima, 78]. Ces fibres sont commercialisées sous le nom de NicalonTM par la société japonaise Nippon Carbon, actuellement le premier producteur mondial de fibres SiC. Cette fibre est obtenue par réticulation puis pyrolyse d’un précurseur organosilicié : le polycarbosilane (PCS). Le procédé d’élaboration comporte trois étapes principales: le filage du PCS fondu à 300°C sous atmosphère inerte conduisant à une fibre organométallique, la réticulation par oxydation afin de la rendre infusible et la pyrolyse à 1200°C sous atmosphère inerte conduisant à la fibre céramique finale . La fibre Nicalon possède des grains SiC-β d’environ 1 à 2nm ainsi qu’un taux de carbone libre élevé (15% atomique). L’étape de réticulation par oxydation a pour effet d’introduire des atomes d’oxygène (12% atomique) dans une phase amorphe d’oxycarbure de silicium SiOxCy. Il s’agit donc d’une fibre thermodynamiquement instable puisque la phase amorphe Si-O-C se décompose en SiO(g) et CO(g) pour des températures supérieures à 1100°C [Bouillon, 91].
Dans le but d’améliorer la stabilité thermique, une fibre dite de deuxième génération a été développée par Nippon Carbon, la Hi-Nicalon. Le procédé d’élaboration est semblable à celui de la fibre Nicalon, excepté l’étape de réticulation réalisée par bombardement électronique sous atmosphère inerte (exempt d’oxygène). Cette fibre présente ainsi un taux d’oxygène résiduel de l’ordre de 0,5%, aucune phase amorphe Si-O-C et reste stable jusqu’à 1400°C [Takeda, 95]. Néanmoins, il reste un excès de carbone libre (17% atomique) rendant la fibre Hi-Nicalon sensible à l’oxygène et au fluage [Chollon, 95].
Des fibres de troisième génération ont été finalement réalisées dans le but d’obtenir des fibres constituées de SiC pratiquement pur et résistantes au fluage. Le taux de carbone libre n’est plus que d’environ 3% atomique grâce à la modification de l’étape de pyrolyse. Contrairement à la fibre HiNicalon qui est pyrolysée sous vide à 1300°C, la fibre Hi-Nicalon S est pyrolysée à 1600°C sous atmosphère d’hydrogène [Ichikawa, 00].
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Synthèse bibliographique
I.1/ Généralités sur les composites à matrice céramique (CMC)
I.1.1/ De la céramique monolithique aux CMC
I.1.1.1/ Propriétés et défauts des céramiques monolithiques
I.1.1.2/ Définition générale d’un matériau composite
I.1.2/ Définition d’un composite à matrice céramique
I.1.2.1/ L’architecture fibreuse
I.1.2.2/ L’interphase
I.1.2.3/ La matrice
I.1.3/ Les voies d’élaboration des composites à matrice céramique
I.1.3.1/ Elaboration à partir de la voie gazeuse
I.1.3.2/ Elaboration par voie liquide
I.1.3.3/ Voie céramique
I.1.3.4/ Procédés hybrides
I.1.4/ Propriétés mécaniques des CMC
I.1.5/ Applications des CMC
I.2/ L’oxynitrure de silicium (Si2N2O)
I.2.1/ Historique
I.2.2/ Propriétés de l’oxynitrure de silicium
I.2.3/ Données thermodynamiques
I.2.4/ Principales voies d’élaboration
I.2.5/ Synthèse par réaction de type SHS
I.2.5.1/ Procédé SHS
I.2.5.2/ Mécanisme de formation
I.2.5.3/ Thermodynamique de la réaction
I.2.6/ Résistance à l’oxydation et à la corrosion
I.2.7/ Propriétés mécaniques
I.3/ Conclusions
Chapitre II : Techniques expérimentales et matériaux d’étude
II.1/ Caractérisation des matériaux
II.1.1/ Mesure de la densité et du taux de porosité
II.1.2/ Porosimétrie mercure
II.1.3/ Microscope Électronique à Balayage (MEB)
II.1.4/ Diffraction des rayons X (DRX)
II.1.5/ Granulomètre laser
II.1.6/ Analyse thermogravimétrique (ATG)
II.1.7/ Caractérisation mécanique
II.1.7.1/ Indentation
II.1.7.2/ Traction
II.2/ Matériaux d’étude
II.2.1/ Préformes fibreuses Hi-Nicalon S
II.2.1.1/ Préformes Hi-Nicalon S – 1µm SiC
II.2.1.2/ Préformes Hi-Nicalon S – 5µm SiC
II.2.2/ Préparation de la suspension
II.2.2.1/ Stabilisation
II.2.2.2/ Broyage des poudres
II.2.2.3/ Caractéristiques de la suspension Si/SiO2
II.2.3/ Imprégnation d’une préforme fibreuse par Aspiration de Poudres Submicroniques (APS)
II.3/ Réacteur pour traitement thermique sous pression
II.3.1/ Description
II.3.2/ Equipements et instrumentations
II.4/ Conclusions
Chapitre III : Élaboration et caractérisation de la matrice
III.1/ Paramètres d’élaboration et protocole expérimental
III.1.1/ Paramètres du procédé
III.1.2/ Paramètres matériaux
III.1.3/ Protocole expérimental
III.1.4/ Détermination de la composition massique par DRX
III.2/ Influence de la pression gazeuse
III.2.1 / Thermogrammes et réactivité
III.2.2/ Étude de la composition et de la microstructure de la matrice
III.2.2.1/ Élaboration sous 10bar
III.2.2.2/ Élaboration sous 20bar
III.2.2.3/ Élaboration sous 30bar
III.3/ Influence de la vitesse de montée en température
III.3.1/ Microstructure
III.3.2/ Composition de la matrice
III.4/ Influence de l’épaisseur de la couche de consolidation
III.4.1/ Exothermie mesurée
III.4.2/ Composition et microstructure
III.5/ Apport de la silice par oxydation in situ de la poudre de silicium
III.5.1/ Mise au point des traitements d’oxydation
III.5.2/ Réactivité
III.5.3/ Quantification des phases matricielles et microstructure
III.5.3.1/ Préforme consolidée par 1µm de carbure de silicium
III.5.3.2/ Préforme consolidée par 5µm de carbure de silicium
III.5.4/ Porosité résiduelle des matériaux
III.6/ Procédé SHS combiné avec procédé PIP
III.6.1/ Introduction
III.6.2/ Étude la résine polysilazane HTT1800
III.6.3/ Protocole expérimental
III.6.3/ Suivi du taux de porosité et microstructure
III.7/ Conclusions
Conclusion générale
