ELABORATION ET CARACTERISATION DES COMPOSITES CMC UTLISES DANS L’INDUSTRIE AERONOTIQUE
H Serrar1, S Aouabdi 2
1: URTI/CSC site université Badji Mokhtar B.P 1037 chaiba , Annaba, serrarhacene@gmail.com 2: URTI/CSC site université Badji Mokhtar B.P 1037 chaiba , Annaba, aouabdi_sam@hotmail.com
Résumé :
Les composites thermostructuraux (SiC-SiC ou C-C) sont jusqu’à présent élaborés avec une contribution majoritaire du procédé d’infiltration par voie gazeuse (CVI). Les procédés céramiques peuvent être combinés avec le procédé CVI pour conférer à la matrice les propriétés recherchées. Le travail proposé doit permettre d’évaluer les potentialités de plusieurs procédés céramiques en relation avec la composition et la microstructure de la matrice élaborée, ainsi qu’avec les propriétés du composite final.
Ce travail combinera la mise en œuvre de procédés, la caractérisation (composition et microstructure) de matériaux et l’étude de leur comportement physicochimique et mécanique.
Tous ces composites seront caractérisés (composition et microstructure, mécanique, tenue à l’oxydation) afin de réaliser des corrélations entre élaborations, composition-microstructure et
propriétés.
Mots clés : composite, céramique, carbone, matrice, fibre, procédé.
1 Introduction
Les composites en général, et plus spécifiquement les composites thermostructuraux : c'est une niche qui illustre bien les enjeux stratégiques, les défis technologiques et les espoirs économiques. Un composite est dit thermostructural quand il peut être utilisé à haute température comme matériau de structure [1]. Il doit alors conserver ses propriétés mécaniques en conditions de fonctionnement. Les matériaux composites constitués de fibres en céramique enrobées dans une matrice elle-même en céramique (CMC) sont les matériaux thermostructuraux seront étudiés a l’URTI/CSC Annaba.
En effet, La combinaison gagnante consiste à faire vivre et travailler ensemble un renfort fibreux et un mélange matriciel, combinant tenue mécanique et adéquation chimique. La nature nous en offre d'excellents exemples. La plupart des végétaux sont fibrés et beaucoup ont un comportement composite.
Les arbres tout particulièrement, le bois étant un exemple achevé de composite alliant, dans des concepts optimisés, une variété de textures et de matrices ligneuses destinées à résister ensemble aux agressions mécaniques et chimiques de l'environnement.
Cependant; c'est la course à l'espace, l'effort consacré aux grands programmes balistiques et spatiaux, le besoin de constructions légères, résistantes, fiables et moins coûteuse, qui ont déclenché, le réel progrès des composites. Rapidement relayée par l'aéronautique, cette démarche a provoqué l'apparition, dans les pays impliqués, d'une véritable industrie spécialisée, adossée à un important réseau scientifique et technologique.
Par ailleurs ; Pour profiter les caractéristiques exceptionnelles des céramiques et de carbone on les renforce en les armant par des textures fibreuses en céramique, en créant des composites à fibres et à
matrices céramiques ou carbone, des céramique-céramique, ou des carbone-carbone des composites thermostructuraux.
2 Les matériaux composites à matrice céramique (CMC)
Les composites à matrice céramique (CMC) sont des matériaux composés d’une architecture fibreuse entourée d’une interphase, le tout enrobée par une matrice céramique (voire figure 1) [2].
Compte tenu de leur capacité à supporter les hautes températures, on les classe dans la catégorie des composites thermostructuraux.
Figure 1: Constituants d’un composite à matrice céramique [2].
3 Domaine d’application
Les matériaux compsite s CMC sont principalement utilisés dans l’industrie aéronautique et spatiale pour des applications structurales à haute température. Leur emploi est envisagé dans certaines pièces de moteurs d’avions civils comme alternative aux solutions métallique, et on constaté aussi que le freinage carbone a supplanté le freinage métallique pour les avions militaires puis civils.
4 Méthodes d’élaboration de la matrice des composites à matrice céramique
Les méthodes d’élaboration de la matrice céramique des composites à matrice céramique et des fibres de SiC composant les préformes sont exposées (voir figure 2) :
4.1
Elaboration par voie gazeuse
Le dépôt (CVD) et l'infiltration chimique(CVI) à partir d’une phase gazeuse en mode continu ou pulsé en pression ou température sont des procédés de choix pour l’élaboration des interphases et des matrices. Le procédé (CVI) consiste à faire germer et croître un dépôt solide au contact d’un substrat massif ou poreux à partir d’une ou plusieurs espèces apportées par un précurseur sous forme gazeuse [3,4]. Lors de l’élaboration des CMC, ce substrat est formé d’une préforme fibreuse (C ou SiC) à densifier par la matrice. Cette préforme est placée dans une enceinte généralement chauffée à des températures comprises entre 900 et 1100 °C et sous pression réduite (P < 10kPa). On parle alors de I-CVI (pour isotherme/isobare). La phase de dépôt fait intervenir de nombreux processus parmi lesquels on retrouve à la fois les phénomènes de transport des espèces et des réactions chimiques. Les différentes étapes du dépôt par CVI sont illustrées à la figure 3 :
Figure 3: Les différentes étapes de la formation d’un dépôt par CVI [4].
4.2
Elaboration par voie liquide
L’élaboration de CMC à matrice SiC par voie liquide est réalisée selon deux procédés différents. Le procédé « Polymer Impregnation pyrolysis »( PIP) met en jeu un précurseur polymère liquide tandis que le procédé « Reactive Melt Infiltration » (RMI) est réalisé grâce à du silicium liquide [3].
4.3
Elaboration par voie céramique
Le procédé « Nanopowder Infiltration and Transient Eutectoid » (NITE) (voir figure 4) :dans ce procédé le précurseur consiste cette fois-ci en une suspension de poudres de carbure de silicium dans laquelle sont également introduits des ajouts de frittage du SiC (Al2O3, Y2O3) ainsi que des liants fugitifs [5]. Des renforts fibreux 2D préalablement recouverts d’une interphase de PyC sont imprégnés par cette barbotine, séchés puis empilés les uns sur les autres. Ils subissent alors un traitement de frittage sous pression à des températures de l’ordre de 1800 °C. Ce procédé permet d’obtenir un composite présentant une porosité inférieure à 5% [3].
Figure 4 : Procédé NITE [5].
5 Les techniques de caractérisation :
La caractérisation microstructurale est essentielle pour la compréhension des relations entre la structure et les propriétés des composites. Plusieurs techniques sont utilisées aujourd’hui pour la caractérisation de ces matériaux :
5.1 La microscopie électronique à balayage (MEB)
La MEB n’a qu’une faible résolution mais elle est bien adaptée aux études de surface, à l’examen de fractures par exemple. Elle peut aussi être couplée à une analyse élémentaire via une sonde EDAX.
5.2
La microscopie électronique à transmission (MET) :
Cette technique offre une résolution jusqu’à 0.2 nm et permet, entre autres, d’observern directement les feuillets et leur orientation
5.3
La diffraction des rayons X
Elle permet de mesurer des distances interréticulaires. Cette technique est utilisée pour caractériser le taux d’exfoliation, les structures cristallines, et avoir une estimation de l’épaisseur des plaquettes.
5.4
La diffraction en réflexion
6 Conclusion
Les matériaux composites à matrice céramiques (CMC) ont été jusqu’à présent développés pour des applications dans lesquelles un haut niveau de performances est requis, justifiant ainsi le recours aux matériaux et procédés les plus performants et donc d’un coût élevé. Une nouvelle famille de matériaux composites à matrice céramique, destinés à être utilisés dans un environnement plus contraint, est actuellement développée pour l’aéronautique civile. Ces matériaux sont élaborés à partir de fibres en carbure de silicium de première génération et d’une combinaison de procédés par voie gazeuse et par voie céramique.
Le choix de cette combinaison de procédés dépend des propriétés recherchées pour le composite final est fait l’objet de ce projet de recherche.
Références
[1] Pierre Bétin, les composites thermostructuraux conférence universités de tous les savoir, 2002
[2] Christin F. Design, fabrication and application of thermostructural composites (TSC) like C/C, C/SiC and SiC/SiC composites. Adv. Eng. Mater., Vol. 4 (12), pp 903-912, 2002.
[3] Antoine M. Étude du frittage de poudres de carbure de silicium de taille nanométrique. Application a l’élaboration de fibres, Thèse de doctorat de l’Université de Bordeaux I, n°4413,2011.
[4] Delettrez S. Elaboration par voie gazeuse et caractérisation de céramiques alvéolaires base Pyrocarbone ou carbure de silicium. Thèse de doctorat de l’Université de Bordeaux I, n° 3723, 2008.
Katoh Y., Kohyama A., Dong S.-M., Hinoki T., Kai J.J. Microstructure and properties of liquid phase sintered SiC/SiC composites. Ceram. Eng. Proc., Vol. 23 (3), pp 363-370, 2002.
