Propriétés à haute température.

La superplasticité des systèmes alumine à grains fins est un problème pour leur utilisation à partir de 1300°C, la plasticité apparaissant dès 1100°C. C’est pourquoi, par l’ajout d’une seconde phase (zircone ou mullite dans ces exemples), on a cherché à diminuer la diffusion inter-granulaire de Al3+

tout en épinglant le glissement des grains. 2.1. Evolution de la contrainte à la rupture

Jusqu’à 800°C, les fibres FP, PRD-166, Nextel 610 et 720 montrent très peu de changement dans leurs propriétés mécaniques (Figure C-I-1). Après, il y a une chute de celles-ci. L’apparition de plasticité sur les courbes charge-déplacement a lieu dès 1000°C pour la FP ([LAV, 95], [PYS, 89], [TRE, 93]) et la Nextel 610 [WIL, 00] et dès 1100°C pour la PRD-166 ([LAV, 95], [PYS, 89], [TRE, 93]) grâce à la présence des grains de zircone. Pour la Nextel 720, jusqu’à 1200°C aucune plasticité n’a été notée [DEL, 00]. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Température (°C) σR (T)/ σR (25°C) (%) Nextel 720 [WIL, 00] Nextel 720 [DEL, 00] Nextel 610 [WIL, 00] FP [LAV, 95] FP [PYS,89] PRD-166 [LAV, 95] PRD-166 [PYS, 89]

Figure C-I-1 Evolution du rapport entre la contrainte à la rupture en traction à haute température et celle à température ambiante en fonction de la température pour les fibres unitaires de FP et PRD 166

(DuPont) et de Nextel 610 et 720 (3M).

Les faciès de rupture sont inchangés jusqu’à 1000°C puis, pour les fibres FP, Nextel 610 et PRD-166, le mode mixte de rupture devient progressivement inter-granulaire avec l’augmentation de la température de test. Pour la Nextel 720, la chute des propriétés obtenue par Deléglise [DEL, 00] comparée au maintien des valeurs de contraintes mesurées par Wilson [WIL, 00], est due à l’apparition de croissances de grains en plaquettes sur les bords des mono-filaments testés ; croissance liée à la présence de zones enrichies en alcalins sur la surface des fibres. Pour les fibres FP et PRD-

166, les évolutions obtenues par Pysher [PYS, 89] sont comparables à celles de Lavaste [LAV, 95] et non reportées sur la Figure C-I-1.

2.2. Propriétés en fluage

Figure C-I-2 Comparaison des taux de fluage en fonction de la contrainte appliquée des fibres unitaires FP et PRD 166 de DuPont [LAV, 95] et des fibres unitaires FP et Nextel 610 [WIL, 93] de 3M.

Les auteurs s’accordent à dire que la présence de zircone dans la PRD-166 a pour conséquence une augmentation de la résistance au fluage de cette fibre par rapport à la FP ([PYS, 92], [LAV, 95]). La présence des grains de zircone aux points triples semble limiter la diffusion et le mouvement des dislocations inter-granulaires ce qui se traduit par un taux de fluage réduit et de plus hautes énergies d’activation. Toutefois, à partir de 1300°C, l’effet d’épinglage par les particules de zircone n’est plus suffisant pour empêcher ce mouvement thermiquement activé et les taux de fluage sont comparables à ceux obtenus avec la fibre FP. Au cours du fluage, il y a regroupement des grains de zircone au sein du matériau. L’endommagement de ces deux fibres se fait par la formation de micro-fissures apparues à

Chapitre C: La fibre Nextel 650

C-8 déformations supérieures) grâce à la bifurcation des fissures liée à la présence des grains de zircone. Le fluage est contrôlé pour la FP et la PRD-166 par la diffusion aux joints de grains et est limité par les réactions aux interfaces. Lorsqu’il y a croissance des grains d’alumine dans ces deux fibres, elle se fait de manière isotrope. Pysher qui a testé à la fois des mono-filaments et des mèches de fibres, trouve de plus longues durées de vie pour les mèches pour un même taux de fluage et des énergies d’activation comparables (648 kJ/mol pour les mèches contre 600 kJ/mol pour les mono-filaments, Tableau C-I-3). Aucune sensibilité particulière aux alcalins n’a été remarquée par les différents auteurs. L’apparition du phénomène de fluage a lieu à 1000°C pour la FP et 1100°C pour la PRD-166. Pour la Nextel 610, il débute à partir de 900°C [WIL, 93]. La valeur de l’exposant de contrainte (n=3) est attribuée aux effets combinés de la fine taille des grains (conduisant à un fluage diffusion contrôlé par les interfaces), de la cavitation et du glissement des grains.

FP [LAV, 95] FP [PYS, 92] Nextel 610 [WIL, 93] PRD166 [LAV, 95] PRD166 [PYS, 92] Nextel 720 [DEL, 00] n (1000-1200°C) 2 2.75 3 2 1.25-2.15 2 Ea (kJ/mol) 564 588 660 600 648 702

Tableau C-I-3 Valeurs des exposants de contrainte (n) et des énergies d’activation pour les fibres FP et PRD 166 de DuPont et des fibres Nextel 610 et 720 de 3M.

L’endommagement se fait par formation de cavités puis coalescence de ces petits pores afin de former des fissures menant à la rupture. La croissance de grains pendant le fluage n’a pas été étudiée par les auteurs. Xu [XU, 93] a mis en évidence dès 1100°C (2h) la croissance des grains lors de traitements thermiques laissant supposer qu’elle existe aussi en fluage. La silice est utilisée dans cette fibre comme aide à la densification (transition γ-α moins explosive) ce qui conduit à une faible taille de grains finale. Les taux de fluage obtenus pour la Nextel 610 sont 2 à 6 fois supérieurs à ceux obtenus pour la FP mais il n’atteignent pas les valeurs des taux prévisibles si on se base sur la différence de taille des grains.

La fibre Nextel 720 a des taux de fluage jusqu’à trois ordres de grandeurs inférieurs à ceux des autres fibres à base d’alumine. Malgré une forte sensibilité à la présence d’alcalins qui se traduit par des croissances de grains anormales, cette fibre est incontestablement la meilleure de sa catégorie en fluage. Wilson [WIL, 94] attribue cette augmentation de la résistance au fluage par rapport à celle de la Nextel 610, à différentes raisons. Premièrement, la mullite est plus résistante au fluage que l’alumine et par conséquent un mélange alumine-mullite devait fluer moins vite que de l’alumine pure. Deuxièmement, la présence de grains allongés ainsi que la plus grande taille des grains limite le fluage. Finalement, le glissement des joints de grains est limité par la forme irrégulière des grains (globulaires, allongés) et l’absence de grains facettés. Pour Deléglise [DEL, 00], la déformation est due au glissement des joints de grains (présence d’une phase amorphe) et à la croissance préférentielle des particules d’alumine orientées et allongées présentes dans la fibre brute. L’endommagement se fait par coalescence de micro-fissures inter-granulaires. L’excellent comportement en fluage est attribué à

la mullite et surtout à sa décomposition (évolution progressive de la microstructure de la fibre vers une structure de grains d’alumine orientés et allongés jouant un rôle fondamental pour la diminution des taux de fluage).

Figure C-I-3 Taux de fluage en fonction de la contrainte appliquée des fibres unitaires Nextel 610 [WIL, 93] et des mèches de Nextel 720 [DEL,00] de 3M.

Il est intéressant de regarder maintenant comment se positionne la fibre Nextel 650 (alumine-zircone, 3M) par rapport à ces différentes fibres, particulièrement en fluage. En effet, elle a été élaborée dans le but d’avoir une fibre utilisable dans les composites, non dégradée en présence d’alcalins (excluant la mullite) et ayant de meilleures propriétés en fluage que la Nextel 610 (alumine pure) ainsi qu’une meilleure stabilité chimique que la Nextel 720 (alumine+mullite).

La comparaison de cette fibre alumine-zircone basée sur une technologie sol-gel avec la fibre PRD- 166 ainsi que la compréhension des différences de comportement sera une étape importante de ce travail.