Soutenance mémoire
Avec l’évolution des moyens technologiques et l’amélioration du confort de vie dans les pays occidentaux, de nouveaux enjeux ont fait leur apparition. La préservation de l’environnement fait partie de ces préoccupations. La concertation des pays développés sur cette thématique a abouti notamment au protocole de Kyto qui vise la diminution des émissions de gaz à effet de serre. Cette mesure a pour objectif la prise de conscience, de la part de chaque émetteur, de son effet néfaste sur l’environnement. Avec une expansion constante de ses flux de voyageurs, le transport aéronautique civil doit prendre en compte ces nouvelles exigences écologiques.
Un renouvellement de la flotte d’avions et des motorisations est prévu pour l’horizon 2015. Les motoristes ont ainsi l’opportunité de développer de nouveaux réacteurs plus propres. Dans ce contexte, Snecma Propulsion Solide (SPS) se propose de produire des pièces de moteur en composite à matrice céramique (CMC). Ces pièces seront, dans un premier temps, utilisées sur la gamme de réacteurs CFM56. Les CMC sont caractérisés par une faible densité et une réfractarité élevée. L’utilisation de ces composites permettrait d’aboutir à un gain de masse, à un meilleur rendement par élévation de la température de combustion, mais également à une diminution de la pollution sonore.
Dans le domaine aéronautique civil, les métaux sont généralement utilisés. Dans le cas des réacteurs, il s’agit de superalliages base Nickel. SPS possède une grande expérience dans le développement de CMC à base de carbone ou de carbure de silicium pour des applications militaires ou aérospatiales (tuyères, divergents…). Pour ce type d’application, les pièces sont soumises à de très hautes températures pendant de courtes durées. La solution matériaux proposée par SPS pour ce marché concerne des composites à renfort fibreux base carbure de silicium (SiC) avec une matrice elle même en SiC.
Les composites à matrice céramique : émergence et évolution
Naissance des CMC
Généralités sur les composites
Un matériau composite est un composé d’au moins deux constituants, qui, une fois assemblés, lui confèrent certaines propriétés (mécaniques…) supérieures à celles des constituants pris séparément. Différents types de composite existent, nous ne nous intéresserons ici qu’aux matériaux à renfort fibreux continus et à matrice céramique. Le renfort a pour objectif d’accroitre les propriétés mécaniques du matériau en termes de contrainte à rupture ou de déformation par rapport à la matrice seule. Le plus petit constituant de ce type de renfort est la fibre (monofilament), à base de carbure de silicium dans le cadre de cette étude. Elles ont un diamètre compris entre 8 et 20 µm et constituent l’échelle microscopique du composite. Ces fibres sont généralement utilisées sous forme de fils (échelle mésoscopique) : assemblage de plusieurs centaines de fibres. La matrice vient ensuite imprégner ou infiltrer les préformes de fils tissés pour figer et protéger le renfort des agressions de l’environnement. Les fils imprégnés de matrice constituent l’échelle macroscopique.
Les différentes familles de composites
Deux familles de matériaux composites peuvent être distinguées selon les applications : les composites basses et hautes températures. Les premiers sont généralement des composites à matrice organique (CMO) avec un renfort en fibres de verre ou de carbone. Ils sont utilisés à des températures inférieures à 100°C. La seconde famille est constituée de renforts métalliques, carbone ou céramiques avec une matrice elle-même métallique, carbone ou céramique. Ce sont des matériaux capables de conserver leurs propriétés mécaniques jusqu’aux très hautes températures (thermostructuraux). Ils sont utilisés comme matériaux de structure dans le domaine aérospatial, nucléaire ou aéronautique. Parmi ces composites, les carbone/carbone, carbone/SiC et les SiC/SiC sont les plus répandus et étudiés.
Les CMC
Les céramiques présentent des propriétés intéressantes qui ont justifié leur essor depuis l’origine de l’humanité. Elles présentent en effet une bonne inertie chimique, une faible masse volumique et sont réfractaires. Cependant, les céramiques ont l’inconvénient d’avoir un comportement mécanique fragile (rupture dans le domaine élastique). Elles sont particulièrement sensibles aux effets d’entaille et aux défauts de fabrication. C’est pour pallier ce problème, intrinsèque aux céramiques, qu’ont été inventés les CMC dans les années 1960. L’idée à l’origine des CMC s’inspire des autres matériaux composites à matrice organique : renforcer une matrice ayant des propriétés mécaniques inadaptées par un renfort fibreux. Seulement dans le cas des CMC, les deux constituants sont des matériaux fragiles. Un troisième constituant est ajouté entre les fibres et la matrice pour absorber l’énergie des fissures matricielles et les dévier : l’interphase. Le matériau ainsi constitué présente un caractère non fragile (dit élastique-endommageable) [Nas98].
Les CMC peuvent être classés en trois catégories : les composites à matrice vitrocéramique, les composites oxydes et les composites non oxydes [Lam05]. Les premiers CMC développés et commercialisés furent les C/C (fibres et matrice en carbone). Leurs excellentes propriétés en atmosphère neutre ou réductrice ainsi que leur faible densité a permis de les utiliser pour les cols et les divergents des tuyères des moteurs de fusée, ainsi que les boucliers thermiques des corps d’entrée en atmosphère. Pour chaque application, un gain en masse conséquent a été obtenu. Ils ont ensuite été appliqués aux systèmes de freinage aéronautique civils.
Cependant, les composites C/C sont limités en termes d’application par leur sensibilité à l’oxydation dès 450°C. Ils ne peuvent donc être utilisés sur de longues durées au contact de l’air. Les recherches se sont alors centrées sur la mise en œuvre d’un autre type de matrice résistante à l’oxydation. Cette volonté a abouti à la mise au point des premières matrice à base de carbure de silicium en 1977 [Chr77] [Chr79] et l’émergence des composites C/SiC. Les fibres de carbone ont pu être remplacées à partir des années 1980 par des fibres à base de SiC de faible diamètre. Des composites thermostructuraux s’affranchissant pratiquement « totalement » du carbone sont alors apparus : les composites SiC/SiC [Lam86] [Nas96].
Les champs d’application des CMC, initialement limités à l’aérospatial et à l’aéronautique militaire, ont été étendus récemment à l’aéronautique civile [Ohn99] [Chr05] et au marché automobile sportif (freins en C/C en formule 1 et en C/SiC pour les voiture haut de gamme). Leur utilisation est en expansion constante .
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Table des matières
Introduction générale
Liste des abréviations
Figures et tableaux clés
Chapitre I. Synthèse bibliographique
1. Les composites à matrice céramique : émergence et évolution
2. Les fibres de carbure de silicium
3. Durée de vie et fissuration lente des matériaux fragiles
4. Oxydation des fibres de SiC
5. Traitement de modification de surface : chloration des carbures
6. Traitement de modification de surface : la phosphatation
7. Amélioration de la durée de vie
Chapitre II. Traitements réactifs des fibres
1. Oxydation des fibres
2. Phosphatation des fibres
3. Transformation surfacique des fibres en carbone poreux
4. Couplage des traitements réactifs
5. Comparaison des traitements et des fibres
Chapitre III. Comportement en fatigue statique
1. Etude de la durée de vie aux températures intermédiaires
2. Mécanisme d’endommagement lent
3. Amélioration de la durée de vie
Conclusion
Annexes
A1. : Optimisation des échantillonnages
A2. : Propriétés mécaniques des fibres
A3. : Propriétés mécaniques des fils (multifilamentaires)
A4. : Modèle de prédiction de la durée de vie
A5. : Propriétés mécaniques des fibres chlorées
A6. : Propriétés mécaniques du CDC : un moyen de caractérisation du carbone libre des fibres
Références bibliographiques
