HISTORIQUE DES LIAISONS METAL-CERAMIQUE

HISTORIQUE DES LIAISONS METAL-CERAMIQUE

TECHNIQUE D’ELABORATION DES FGMs

Le concept des matériaux à Gradient Fonctionnel (FGM) caractérisé par une propriété sans interruption changeante due à un changement continu de la composition, dans la morphologie et effectivement dans la structure cristalline, représente un saut technologique rapide à travers les différents domaines d’application potentiels, des recherches ont été établi afin de préparer des matériaux de barrière thermique performants à longue durée de vie.
Initialement, l’idée fut émise en 1984 par M. Niino et al. (National Aerospace Laboratory of Japan) et présentée comme une tentative pour résoudre les problèmes posés par la préparation de matériaux de barrière thermique destinés aux structures spatiales et aux réacteurs de fusion. Cependant, l’aventure débute réellement autour de l’année 1985 lorsque d’autres pays (USA, Royaume-Uni) ressentent à leur tour la nécessité d’aborder l’ère spatiale en concevant chacun unilatéralement un avion ayant la possibilité de naviguer à la fois dans l’espace et transitoirement dans l’atmosphère terrestre . Cela revenait à poser d’emblée le problème de la tenue des structures dans l’espace et du comportement du fuselage aux très hautes températures lors du retour dans l’atmosphère à vitesse hypersonique. Au cours de ces années, de nombreuses techniques de mise en forme ont été utilisées.

METHODES DE MISE EN FORME PAR VOIE PHYSIQUE

Déposition par projection thermique
Le dépôt par projection thermique se décline en quatre techniques différentes : la projection par flamme, la projection par arc électrique, la projection par plasma (VPS) et la projection thermique à froid. Pour l’ensemble de ces techniques, la fabrication du FGM tient au contrôle de la distribution de la poudre dans la buse de projection thermique. La projection par flamme consiste à la combustion d’un gaz pour porter le matériau à sa température de fusion et le projeter sur le substrat. Les avantages de cette technique sont sa simplicité et son faible coût. Par contre, la température peu élevée et une faible vitesse de projection impliquent un dépôt poreux (≈90 %) .
Dépôt en phase vapeur
Le dépôt par voie physique est basé sur le principe de l’ionisation d’un gaz (argon) entre la cible (cathode) et le substrat (anode). Les atomes de gaz ionisés sont dirigés par le champ électrique créé entre la cathode et l’anode vers la cible pour arracher un atome de la cible et le déposer sur le substrat . De par sa fonction d’anode, le substrat ne peut être isolant. La fabrication du FGM par un dépôt en phase vapeur est contrôlée par la vitesse de bombardement des cibles à l’intérieur de l’enceinte.
La métallurgie des poudres
Cette technique implique uniquement des poudres. La procédure comporte les étapes suivantes :
Sélection et combinaison des métaux et céramiques entrant dans la composition du FGM.
Mise au point de la distribution de composition optimale.
Mélangeage des poudres selon un processus continu respectant le profil de composition optimale.
Compactage et pressage isostatique à température ordinaire (CIF)
Traitement final par frittage naturel ou frittage activé.

Loi de mélange

Il existe de nombreuses approches utilisées pour décrire la variation matérielle du FGM qui sont fabriqués à partir de deux phases de matériaux. En général, la plupart des approches microstructures classées réelles . Deux types de FGM, qui représentent une variation continue de compositions de matériaux à Gradient Fonctionnel, et de la variation de la couche à goutte de compositions de matière représentée sur la même figure, ont été trouvés dans la littérature. En considérant les FGM en deux matériaux distincts, on suppose que les compositions matérielles des FGM sont variées de la surface supérieure de la matière A riches à la surface inférieure de matériau B-riches. On voit que, pour le cas FGM continues, les compositions matérielles sont modifiées avec une répartition régulière dans la direction graduelle. Toutefois, pour un autre cas qui peut être défini en tant que couche de matériau quasi-homogène, les compositions sont présentées
sous la forme d’une répartition en couches.

Avantages et inconvénients des matériaux FGMs

Donc, les besoins technique et technologique ont donné aux matériaux FGMs la priorité dans plusieurs secteurs et de les mettres en première position et cela pour plusieurs avantages parmi lesquelles nous avons à titre d’exemple:
L’absence d’une forte interface entre deux matériaux différents, par exemple les métaux et les matériaux céramique, alors la transition graduelle dans la composition à travers une interface peut être utilisée pour distribuer les contraintes thermiques ce qui permet la limitation des contraintes critique et supprimant ainsi le début de la déformation plastique, des dommages ou fissures.
Singularités de stress à une intersection entre les bords libres et les interfaces peuvent être évités en utilisant transition graduelle, qui peuvent par ailleurs initier une fissure interfaciale, conduisant à une insuffisance de délaminage
La force motrice pour la croissance locale de la fissure à travers une interface peut être manipulée en modifiant les gradients de propriétés élastiques et plastiques à travers l’interface.
Absence d’une interface nette devrait conduire à un meilleur contrôle sur l’ensemble des contraintes.
Une meilleure cohésion entre les différents matériaux, tels que les métaux et les céramiques.
Extension de la zone fonctionnelle avant d’atteindre la valeur limite de déformation plastique.
Suppression du délaminage.
Augmentation de la résistance à la rupture. ect

L’intérêt d’utilisation des FGM

Il y a beaucoup d’intérêt pour la mise sur pied des structures ainsi les conditions fonctionnelles peuvent varier avec l’endroit. Dans la plupart des cas, ceci impliquera de varier les matériaux qui sont employés aux endroits spécifiques dans la structure ayant pour résultat les interfaces discrètes dans tout. A nombre de proposé des technologies manufacturières pour le traitement de FGM.
Récemment, les concepts de FGM sont devenus d’intérêts scientifiques pour améliorer l’exécution des systèmes géométriquement complexes des structures.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
I.1. HISTORIQUE DES LIAISONS METAL-CERAMIQUE
I.2. TECHNIQUE D’ELABORATION DES FGMs 
I.3. METHODES DE MISE EN FORME PAR VOIE CHIMIQUE
I.3.1. La coulée par centrifugation
I.3.2. La sédimentation
I.4. METHODES DE MISE EN FORME PAR VOIE PHYSIQUE
I.4.1. Déposition par projection thermique
I.4.2. Dépôt en phase vapeur
I.4.3. La métallurgie des poudres
I.5. LES DIFFERENTES LOIS QUI REGISSENT LA VARIATION DES PROPRIETES MATERIELLES SUIVANT L’EPAISSEUR D’UNE POUTREFGM
I.5.1. Propriétés matérielles de la plaque P-FGM
I.5.2. Propriétés matérielles de la plaque S-FGM
I.5.3. Les propriétés matérielles de la plaque E-FGM
I.5.4. Loi de mélange
I.5.5. Loi de comportement
I.5.5.1. Matériau anisotrope
I.5.5.2. Matériau monoclinique
I.5.5.3. Matériau orthotrope
I.5.5.4. Matériau transversalement isotrope
I.5.5.5. Matériau unidirectionnel (isotropie transverse)
I.6. DOMAINES D’APPLICATIONS DES MATERIAUXFONCTIONNELLEMENT GRADUES 
I.6.1. Domaines d’application Des FGMs
I.6.1.1. Aéronautique
I.6.1.2. Électronique et optique
I.6.1.3. Biomatériaux
I.6.1.4. Industrie
I.6.1.5. Structure
I.6.2. Avantages et inconvénients des matériaux FGMs
I.6.3. L’intérêt d’utilisation des FGM
I.6.4. La Résistance A L’usure Des FGM
I.7. CONCLUSION 
II.1. EVOLUTION DES THEORIES AUX ELEMENTS FINIS POUR LA MODELISATION COMPOSITES 
II.2. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES MODELES DE STRUTURES MULTIOUHES
II.2.1. Approche monocouche équivalente
II.2.1.1. Les principaux modèles bases sur cette approche
II.2.2. Approche par couche
II.2.3. Les modèles Zig-Zag
II.2.4. Les modèles à couches discrètes
II.2.5. Approche par développement asymptotique
II.2.6. Facteur de correction du CT
II.2.7. Modèles élément finis pour les structures isotropes et multicouches
II.2.7.1. Approche géométrique
II.2.7.1.1. Approche par facette plane
II.2.7.1.2. Approche curviligne
II.2.7.1.3. Approche Cartésienne
II.2.8. Modèles éléments finis de plaque et des coques composites
II.2.8.1. Eléments finis sur la théorie du premier ordre (FSDT : First Order Shear Deformation Theory)
II.2.8.2. Elément finis basés sur la théorie d’ordre supérieur
II.3. CONCLUSION
III.1. INTRODUCTION 
III.2. PRESENTATION DU CODE ABAQUS
III.2.1. ABAQUS/Standard
III.2.2. ABAQUS/Explicit
III.2.3. ABAQUS/CAE
III.2.4. Procédure de traitement des problèmes sous ABAQUS
III.2.4.1. Différents fichiers pour la simulation sous Abaqus
III.2.5. Schémas de résolution
III.2.5.1. Procédure « static »
III.2.5.2. Procédure « explicit dynamic »
III.2.5.3. Procédure de « mass-diffusion »
III.2.5.4. Procédure « uncoupled heat transfer »
III.2.5.5. Procédure « temp-diplacement »
III.2.6. Développement des procédures utilisateurs
III.3. RESOLUTION D’UN PROBLEME PAR ELEMENTS FINIS SUR ABAQUS 
III.3.1. Forme de la solution sur un élément finis (EF)
III.3.2. Intégration numérique
III.3.3. Problème mécanique
III.3.4. Formulation faible
III.3.5. Discrétisation en éléments finis
III.3.6. Résolution
III.4. PRESENTATION DE LA PROCEDURE UMAT
III.4.1. Elément fini utilisé dans cette implémentation
III.4.1.1. Formulation
III.4.1.1.1. Energie cinétique
III.4.1.1.2. Energie de déformation
III.4.1.1.3. Déplacement
III.4.1.1.4. Déformations
III.4.1.1.5. Contraintes
III.4.1.1.6. Etude dynamique (théorie de vibration)
III.5. CONCLUSION
IV.1. INTRODUCTION 
IV.2. STRATEGIE ET MISE EN ŒUVRE DE L’IMPLEMENTATION 
IV.2.1. Formulation
IV.2.2. Étude de la convergence
IV.2.3. Validation
IV.2.4. Résultats et discussions
IV.2.4.1. Premier cas
IV.2.4.2. Deuxième cas
IV.2.4.3. Troisième cas
IV.2.4.4. Quatrième cas
IV.3. ETUDE DE LA VARIATION DES CONTRAINTES AVEC LES LOIS E-FGM ET S-FGM
IV.3.1. UMAT avec la loi « E-FGM »
IV.3.2. UMAT avec la loi « S-FGM »
IV.4. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE & PERSPECTIVE

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