Elaboration Et Caractérisation Des Composites Thermostructuraux Utilisés Dans L’industrie Aéronautique
H. Serrar1.2, M. Boulkra1, A. Lounis2, A. Benfoughal1, N. Sassane1, M. Athamni1, A. Bouarioua1 Welding and NDT research center (CSC) B.P 64 CHERAGA ALGERIA.
Laboratoire des Sciences et Génie des Matériaux
USTHB, BP32 EL ALIA, BAB EZZOUAR, ALGER, ALGERIA.
h.serrar@csc.dz, serrarhacene@gmail.com
Abstract— Considering the needs for light, resistant, reliable materials and with lower costs for the aeronautic industry, we choose the development of thermostructural composite materials for applications in extreme conditions: at high temperatures, under mechanical and thermal constraints, in oxidizing media and under irradiation. These materials are mainly used in structural applications at high temperature, where their use is considered in certain parts of engines of planes, or in braking containing carbon which to avoid metal braking. These materials can be used in other applications (Car, building, electricity, industrial plants…). For the environmental point of view , we plan to study the development of the thermostructural composites by ensuring the properties sought in the finished product, starting from silicon carbide fibers of first generation, or starting from carbon fibers, and with combination of two processes gas way and ceramic way. This work will combine the implementation of processes, the characterization (composition and microstructure) of materials and the study of their physico-chemical and mechanical behavior. In this project, we are interested in one hand, in the study and application of new ways of composite synthesis of ceramic and carbon and on the other hand, the understanding mechanisms and phenomena of these processes.
Index Terms— composite, thermostructural, ceramic, carbon characterization, mechanical, thermal.
I. 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.
II. 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 1):
Figure 1 : Grandes étapes de l’élaboration d’un CMC [1].
D’autre part, les composites à matrice SiC (C/SiC ou SiC/SiC) sont élaborés suivant trois voies principales qui se différencient selon la nature du précurseur utilisé pour la densification des préformes [2] : phase gazeuse, phase liquide et voie céramique
A) 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)[5]. 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 [5,6]. Les différentes étapes du dépôt par CVI sont illustrées à la figure 2 :
Figure 2: Les différentes étapes de la formation d’un dépôt par CVI [5].
B) 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 [1].
C) Elaboration par voie céramique
Le procédé « Nanopowder Infiltration and Transient Eutectoid » (NITE) (voir figure 3) : 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% [6,7].
Figure 3: Procédé NITE [7].
III. LES TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION :
La caractérisation microstructurale est essentielle pour la compréhension des relations entre la structure et les propriétés des composites. Plusieurs techniques seront utilisées pour la caractérisation de ces matériaux [8]:
A) 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.
B) La microscopie électronique à transmission (MET) Cette technique offre une résolution jusqu’à 0.2 nm et permet, entre autres, d’observer indirectement les feuillets et leur orientation [9].
C) 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 [10].
La diffraction en réflexion apporte une analyse de la surface sur quelques microns. On ne voit que les plans parallèles à la surface.
Ces techniques permettent donc de définir des paramètres microstructuraux (exfoliation, intercalation, répartition et orientation des plaquettes, distribution des épaisseurs) et de les relier aux propriétés du matériau. Il faut cependant être prudent dans l’interprétation des résultats et il est nécessaire de coupler les différentes techniques d’analyse pour valider les conclusions.
IV. CONCLUSION
Les matériaux composites sont généralement des structures assez complexes, mais néanmoins présentent des propriétés remarquables.
Le moteur de ce travail, qui rentre dans le cadre des projets de recherche de l’URTI/CSC « les composites thermostructuraux», est de comprendre comment 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.
En effet, Les matériaux composites sont généralement des structures assez complexes, mais néanmoins présentent des propriétés remarquables. Pour cette raison; le choix du procédé d'élaboration est très important, car il va dépendre de la nature des constituants, de leur stabilité thermique et de leurs propriétés physico-chimiques (viscosité de la matrice, réactivité…), mais également du rapport qualité/prix des composites, au travers d'une part de la minimisation de la dégradation du renfort fibreux, et d'autre part de la réduction du temps d'élaboration. Ce travail n'est donc qu'une première étape; qu'il serait intéressant de poursuivre dans l’optique de recherche dans le domaine des composites thermostructuraux.
REFERENCES :
[1] Valery V. Vasiliev, Evgeny V. Morozov, « Chapter, 12 -
Optimal composite structures »,
Advanced Mechanics of Composite Materials, 2013.
[2] Michael Del Pero, Steve Speak , « Strategically accelerating the adoption of advanced composites beyond aerospace » Reinforced Plastics, Issue 1, January–February 2012.
[3] Earl A. Thornton, « Experimental Methods for High-
Temperature Aerospace Structures »,
Thermal Stresses IV, Pages 1-89, 1996.
[4] J. Rougès, S. Bertrand, E. Bouillon, « Long life duration to CMC materials ». ECCM12, Biarritz, 2006.
[5] F. Lamouroux, S. Bertrand, S. Goujard, F. Bagilet, A.
Caillaud, S. Mazereau, « Procédé de densification de substrats poreux minces par infiltration chimique en phase vapeur et dispositif de chargement de tels substrats ». Brevet International n° PCT/FR2006/050141, 16-02-2006.
[6] George Marsh, « Aerospace enterprise grows with composites
», Reinforced Plastics, Volume 52, Issue 11, Pages 18-21,23, December 2008.
[7] J. Lamon , « Properties and Characteristics of SiC and SiC/SiC Composites», Comprehensive Nuclear Materials, Volume 2, Pages 323-338, 2012.
[8] University of New South Wales, Australia, 19 October 1988,
« Composites for Aerospace and Advanced Technologies », Composites, Volume 20, Pages 393-394, Issue 4, July 1989.
[9] Christophe EVEN, « Conception, élaboration et caractérisation d’un matériau composite à matrice de titane renforcée par des fibres continues de carbone », Thèse de doctorat de l’Universite Bordeaux I, 2000.
[10] B. Vieille, V.M. Casado, C. Bouvet, « About the impact behavior of woven-ply carbon fiber-reinforced thermoplastic- and thermosetting-composites: A comparative study », Composite Structures, Volume 101, Pages 9-21, July 2013.
