P ROTOCOLE EXPERIMENTAL

Matériaux utilisés

Matrices aluminium

Deux nuances d’aluminium ont été testées pour élaborer les composites Al – FC (Aluminium – Fibres de Carbone) de cette étude préliminaire : A1350 et AA620. Le Tableau 9 donne les compositions élémentaires typiques et le Tableau 10 donne quelques propriétés physiques.

Tableau 9 : compositions en éléments principaux des nuances A1350 et AA6201 (65)

Nuance Fe (%wt) Si (%wt) Mg (%wt) Cu (%wt) Al (%wt)

A1350 0,12 0,04 - < 0,001 > 99,5

AA6201 0,09 0,6 1 < 0,001 > 98

Tableau 10 : Propriétés physiques des nuances utilisées (65)

Nuance Intervalle de fusion (°C) Module d’Young (E en GPa) Résistance mécanique (RM en MPa) Allongement (A en %) Densité (kg.m-3) Cond. Elec. (%IACS) A1350 647 – 657 69 90 - 2702 62,5% AA6201 607 – 654 69 330 < 2 2690 52%

La teneur en fer constatée dans les deux nuances provient du procédé d’élaboration de l’aluminium (minerai riche en fer). L’A1350 est une nuance pure industrielle (> 99,5% Al).

La nuance AA6201 est alliée au silicium et au magnésium, en petites quantités, pour allier performances mécaniques (3 fois celles de l’A1350) à conductivité électrique élevée ( 85% de celle de l’1350).

Fibres de carbone

Les fibres de carbone utilisées dans cette étude préliminaire sont les fibres K223HE de la société Mitsubishi Plastics. Les propriétés physique données par le fabricant sont présentées Tableau 11. Lorsque les FC sont reçues, elles sont enchevêtrées en paquet et sont donc inutilisables directement. Un broyage est nécessaire pour les séparer. La Figure 3-1 qui montre des FC après broyage : elles sont cassées en bâtonnets de quelques centaines de micromètres.

3.2. - Approche expérimentale avec fibres de carbone

Tableau 11 : Propriétés physiques des fibres de carbone Module d’Young (E en GPa) Résistance mécanique (RM en MPa) Allongement (A en %) Densité (kg.m-3) Cond. thermique (W.m-1.K-1) Long. (mm) Diamètre (µm) 900 3800 0,3 2200 550 6 11

Figure 3-1 : Fibres de carbone brutes après broyage

Cuivre dendritique

Il s’agit de cuivre sous forme de poudre dendritique (Figure 3-2) issue de l’électrolyse du cuivre, par opposition aux poudres plus classiques de forme sphérique. C. Vincent, dans sa thèse, avait démontré que le cuivre dendritique était meilleur pour l’élaboration des poudres composites (34).

Préparation des fibres de carbone

Les fibres de carbone ont été traitées selon deux protocoles différents, après fonctionnalisation, pour étudier l’effet d’un dépôt métallique ou céramique sur l’intégration des fibres dans le métal liquide.

Dépôt cuivre

La Figure 3-3 haut, synthétise les étapes de préparation des FC pour obtenir un dépôt cuivre selon la méthode du Molecular Level Mixing (cf annexe 6.3) optimisée par l’ICMCB.

Les fibres ont d’abord été séparées dans un broyeur mécanique pendant 1h puis ont été immergées dans une solution d’acide orthophosphorique à 85% (ratio volumique FC sur acide 1 : 1) à 120°C pendant 3h. Cette étape constitue la « fonctionnalisation » des FC. Elle permet de créer des groupements O – H – O – P à la surface des fibres de carbone comme l’a démontré GM. Vallet par analyse XPS dans sa thèse concernant des nanotubes de carbone (29). Ces groupements peuvent être considérés comme des défauts de surface qui vont permettre de favoriser une réaction chimique. Après le traitement acide, les poudres sont mélangées avec du cuivre dendritique puis oxydées 1h à 400°C à pression atmosphérique, ratio massique du mélange 1 : 1) pendant 1h au broyeur mécanique. La poudre composite suit alors un cycle de réduction sous atmosphère N2 + 10% H2 à 400°C pendant 3h. Le cuivre oxydé est réduit et une partie du cuivre présent en phase vapeur se dépose sur les FC, catalysé par les groupements O – H – O – P réalisés lors de la fonctionnalisation (Figure 3-3 bas).

3.2. - Approche expérimentale avec fibres de carbone

Dépôt de carbure de silicium.

Le dépôt de carbure de silicium sur les fibres est inspiré du protocole issu de (53) explicité au chapitre bibliographique à la page 53 et illustré Figure 3-4-a-c. Le mouillage du carbure de silicium par l’aluminium liquide étant « moins mauvais » que celui du carbone (cf Figure 2-32), et le dépôt de carbure de silicium étant facile et peu coûteux à mettre en œuvre, il représente une solution intéressante que nous avons voulu étudier.

Dans notre cas, de la grenaille de silicium pur (Ø = 300 µm) a été mélangée avec des fibres de carbone, avec un rapport massique 7 : 3. L’opération a été faite au broyeur pendant 1 heure. Un mélange carbone – silicium est ainsi formé. Des fibres de carbone ont été ajoutées à ce mélange (rapport massique 12 : 5) pendant 1 heure au robot mélangeur. La poudre a été chauffée 1 h à 1300°C sous azote pour limiter l’oxydation (protocole Figure 3-5a). Un dépôt de SiC sur les fibres de carbone est ainsi formé.

Le dépôt a été mis en évidence par microanalyses EDS lors d’essais ultérieurs avec des NFC qui montrent bien le pic de silicium sur le spectre d’analyse (Figure 3-6). On remarque sur la Figure 3-6 que l’oxygène est détecté. Il est probable que la surface du carbure de silicium soit recouverte d’une couche de silice SiO2. Dans la bibliographie, les auteurs de (53) rapportaient également la présence d’oxygène.

Figure 3-5 : (a – c) Protocole de dépôt SiC sur les fibres de carbone, (b) Fibres de carbone revêtues de SiC.

Figure 3-6 : Microanalyse EDS sur des NFC avec dépôt SiC

3.2. - Approche expérimentale avec fibres de carbone

Elaboration des alliages composites

Conduite des essais d’élaboration de composites Al – FC

Le four de fusion ayant servi à ces essais exploratoires est un four à induction de puissance nominale 13 KW fonctionnant dans une gamme de fréquences de 20-50 kHz.

La nuance d’aluminium est fondue dans un creuset en argile graphite de volume 300 cm3 pour les essais de trempe à l’eau (car le graphite est conducteur thermique) et en silice vitreuse de volume 310 cm3 pour les essais de brassage électromagnétique naturel car la silice permet une chauffe directe du métal (voir notions sur la chauffe et le brassage par induction en annexe 6.2) Le brassage mécanique (stir-casting) a été testé également.

La poudre composite Cu – NTC a été intégrée au métal liquide sous plusieurs formes :

• en vrac : utilisée telle quelle au sortir du procédé de réduction / croissance du cuivre,

• en alliage-mère (ou sucre) : la poudre obtenue en vrac a été compactée pour obtenir un « presque « solide Cu-NTC,

• en papillote : de la poudre en vrac a été conditionnée dans une feuille d’aluminium.

La température du métal liquide était de 670°C pour les essais de brassage mécanique et de 900°C pour les essais de brassage électromagnétique naturel. Le brasseur mécanique était un ensemble {tige + palette} en inox revêtu d’un poteyage aluminosilicate de chaux / zircone pour limiter la diffusion de l’inox dans l’aluminium liquide. L’ensemble {tige + palette} était mis en rotation à 500 tours.min-1

pendant 2 min au moyen d’une perceuse filaire.

Pour les essais de trempe à l’eau, le creuset était saisi après le brassage à l’aide d’une pince et immergé dans un seau d’eau à 15°C, l’eau ne dépassant pas le bord supérieur du creuset de façon à ce qu’elle ne rentre pas en contact avec le métal liquide. Pour les essais de refroidissement naturel, le métal solidifiait à l’air libre après le brassage.

Analyses des composites

Quand tout le métal est solidifié, il est extrait du creuset et en gardait la forme générale. La Figure 3-7 montre la forme générale obtenue ainsi que la position des observations dans le volume. Pour les zones d’observation, les lingots composites ont été tronçonnés deux parties égales dans le sens de la hauteur. Des échantillons ont été préparés en poli miroir, après prélèvement, dans l’alliage solidifié à différents endroits : milieu haut (1), cœur (2), milieu bas (3) et bord supérieur (4) représentés sur la Figure 3-7. Ces zones ont été choisies pour vérifier si les FC étaient intégrées au solide (zone 2) ou repoussées en dehors (zones 1, 3 et 4).