Fibres HNS revêtues de PyC

2.3 Composite HNS/PyC/SiC ... 105 3. CARACTÉRISATION MICROSTRUCTURALE DES INTERPHASES CARBONÉES AU SEIN DES COMPOSITES RENFORCÉES PAR LES FIBRES TSA3 ... 108

3.1 Fibres TSA3 revêtues de pyrocarbone ... 108 3.2 Composites TSA3/SiC et TSA3/PyC/SiC ... 110

4. CARACTÉRISATION MICROSTRUCTURALE DES INTERPHASES CARBONÉES AU SEIN DES COMPOSITES RENFORCÉS PAR LES FIBRES T300 et T300THT ... 112

4.1 Fibres T300 et T300THT revêtues de pyrocarbone ... 112 4.2 Composites T300/SiC et T300THT/SiC ... 115 4.3 Composites T300/PyC/SiC et T300THT/PyC/SiC ... 118 5. DISCUSSION GÉNÉRALE ... 121 6. CONCLUSION ... 124 RÉFÉRENCES ... 125

CONFIDENTIEL CEA – REPRODUCTION INTERDITE 99

1. INTRODUCTION

Il a été vu au cours du chapitre précédent que la chimie et l’organisation microstructurale du carbone de surface différaient en fonction de la nature des fibres SiC et de carbone. Ces caractéristiques peuvent conduire à une intensité de couplage plus ou moins forte avec le pyrocarbone déposé à leur surface au cours de l’infiltration par CVI. En vue d’appréhender l’influence des propriétés de l’extrême surface des fibres sur la tenue mécanique des composites, l’interaction entre les fibres et le PyC est étudiée à chaque étape de la fabrication de ces composites. Dans un premier temps, l’organisation microstructurale de l’interphase de PyC lors de son dépôt (50 nm d’épaisseur, sans matrice SiC) sur les fibres désensimées est observée. Ensuite, les composites fibres/matrice SiC (i.e. sans interphase) et fibres/interphase PyC (50 nm d’épaisseur)/matrice SiC sont analysés afin d’établir un lien entre les propriétés de l’extrême surface des fibres et l’adhésion chimique à l’interface de ces matériaux. Ces échantillons sont observés par microscopie électronique en transmission (notamment en haute résolution). Cependant, une interprétation qualitative, voire quantitative, de la nanostructure du carbone en surface des fibres est souvent difficile à réaliser. Des outils de modélisation basés sur la morphologie mathématique ont été appliqués aux images MET. Ils contribuent ainsi à quantifier la distribution des plans des interphases carbonées et à décrire leur arrangement spatial. Parallèlement à cette analyse microstructurale, les contraintes résiduelles d’origine thermique sont aussi évaluées. En effet, en fin d’élaboration par CVI, le refroidissement à température ambiante génère des contraintes thermiques résiduelles au sein des phases du composite du fait de des différences de leurs coefficients de dilatation thermique. Il est important de prendre en compte ces contraintes qui peuvent entraîner une modification du couplage F/M, voire induire une fissuration des composites, et donc impacter le comportement mécanique macroscopique de ces matériaux.

2. CARACTÉRISATION MICROSTRUCTURALE DES INTERPHASES

CARBONÉES AU SEIN DES COMPOSITES RENFORCÉS PAR LES

FIBRES HNS

Les analyses par spectrométrie de photoélectrons X et par microscopies électroniques ont montré que la surface des fibres HNS est recouverte d’une phase riche en carbone faiblement organisée. Grâce à cette nouvelle étude, des informations supplémentaires sont obtenues sur l’architecture du pyrocarbone déposé à la surface des fibres HNS. En effet, l’observation des interphases carbonées, à chaque étape de fabrication du composite HNS/PyC/SiC, permettra de mieux appréhender le type de liaisons formées entre chacun des constituants présents dans la région interfaciale. Cela permettra aussi de savoir si le carbone faiblement organisé de surface des fibres est à l’origine de l’intensité idéale du couplage fibre/matrice de ces matériaux, déterminant quant à leur comportement élastique endommageable.

2.1 Fibres HNS revêtues de PyC

Les paramètres microstructuraux du carbone de surface des fibres HNS sont étudiés grâce aux outils de traitement d’images MET basés sur la morphologie mathématique (chapitre II §4.3) [1]_.

CONFIDENTIEL CEA – REPRODUCTION INTERDITE 100 La première étape de ce traitement consiste à passer du cliché initial obtenu par microscopie en échelle de gris (figure IV.1 a.) à une image binaire (figure IV.1 b.) par un seuillage basé sur la méthode d’Otsu.

L’orientation locale de chacun des plans du carbone est obtenue par la combinaison du squelette de l’image binaire et de l’orientation locale obtenue de l’image en niveaux de gris (figure IV.1 c.). Une échelle de couleur représentant l’orientation des plans de graphène sera toujours indiquée sur ce type de figure, au cours de l’étude, ainsi que l’axe de l’image (x) et celle de la surface de la fibre (z). En effet, la surface de fibre n’étant pas orientée selon la même direction sur chaque cliché MET, il est important de représenter son orientation afin de mieux analyser celle des plans carbonés.

Figure IV.1 – Illustration de la binéarisation et de la détection des plans graphène : Clichés METHR initial

(a.), binéarisé (b.) et avec les orientations locales du carbone de surface des fibres HNS (c.)

Par la suite, les unités structurales de base (USB) du carbone de surface des fibres HNS sont étudiées (figure IV.2 a.). Elles sont définies comme des domaines cohérents constitués d’empilements de plans de graphène orientés selon la même direction et séparés d’une distance pouvant être comprise entre environ 0,34 et 0,37 nm [2][3]_{. Les plans du carbone de surface sont}

intégrés dans un espace d’orientation où chaque plan horizontal contient des objets de même orientation (figure IV.2 b.). Les résultats sont alors présentés sous la forme d’un histogramme bivarié de la longueur latérale (La) des plans carbonés empilés constituant les USB, en nm, en

fonction du nombre de ces plans au sein de ces USB et de leur orientation. Les USB sont identifiées en franges de réseau « par des paquets de franges parfaites de 8 à 12 Å de longueur latérale et d’au moins deux franges », d’après M. Guigon [4]_{. Ainsi, les unités observées sur}

l’histogramme possédant moins de deux plans empilés et ayant une longueur latérale (La)

inférieure à 0,8 nm ne seront pas considérées (bruit de l’image METHR ou parties amorphes). D’après cet histogramme, les USB du carbone de surface des fibres HNS sont de dimensions réduites (figure IV.2 c.). Les quelques empilements analysés comprennent un faible nombre de plans de graphène (3 plans empilés) associé à une longueur latérale La n’excédant pas 0,8 nm.

Seules ces USB les plus étendues tendent à s’orienter selon l’axe x de l’image, soit à 90° de la surface de la fibre (plans vert et bleu clair) sur les clichés de la figure IV.2, sachant que l’axe de la fibre HNS est à 180° par rapport à cet axe x.

CONFIDENTIEL CEA – REPRODUCTION INTERDITE 101

Figure IV.2 - Clichés METHR initial (a.) d’une fibre HNS désensimée et avec les orientations locales du carbone de surface des fibres HNS (b.) (coupe FIB dans le sens transversal de la fibre) ; histogramme de la

longueur latérale (La) des USB du carbone de surface de la fibre HNS (en nm) par rapport au nombre de

plans empilés au sein de ces USB et de leur orientation (c.)

Une couche de PyC est déposée en surface des fibres HNS, plus précisément sur le carbone surfacique faiblement organisé (figure IV.3 a.). Sur ce cliché METHR, l’axe de la fibre HNS est positionné à 120°-130° par rapport à l’axe des abscisses de l’image (axe x) qui est pris pour référence afin de calculer les orientations locales des plans carbonés. Il est observé que les plans du carbone faiblement organisé de surface de fibre présentent toujours de multiples orientations avec une légère préférence pour une orientation perpendiculaire à la surface, comme vu en figure IV.2. Des plans de carbone turbostratique sont aussi observés en surface des fibres HNS. Ces plans, préférentiellement parallèles à la surface des fibres, ne semblent pas influencer l’orientation du carbone faiblement organisé de surface de fibre qui le recouvre. L’interphase de PyC, quant à elle, adopte une orientation préférentielle (figure IV.3 b.). L’histogramme bivarié montre qu’un grand nombre de plans du PyC sont orientés entre 120 et 140° (prédominance des plans bleu foncé sur l’image METHR traitée). Cette orientation suit celle de la surface des fibres HNS. Néanmoins, des orientations secondaires sont aussi remarquées jusqu’à certaines orientations orthogonales (à 30°, jaunes orange). La majorité des empilements, correspondant à ceux de l’interphase de PyC, présente bien une orientation proche de celle de l’axe des fibres (entre 90 et

x z

Fibre HNS Fibre HNS

Carbone de surface de fibre Carbone de surface de fibre

a. b.

CONFIDENTIEL CEA – REPRODUCTION INTERDITE 102 130°). La longueur latérale des plans de graphène (La) peut être supérieure à 3 nm et la hauteur de

ces empilements atteindre jusqu’à 5 plans.

Figure IV.3 - Clichés METHR initial (a.) d’une fibre HNS revêtue de PyC et avec les orientations locales du PyC et du carbone de surface des fibres HNS (b.) (coupe FIB dans le sens transversal de la fibre) ; histogramme de la longueur latérale (La) des USB du carbone de la fibre HNS revêtue de PyC (en nm) par

rapport au nombre de plans empilés au sein de ces USB et à leur orientation (c.)