Elaboration Et Caractérisation Des Composites

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.
[email protected], [email protected]
I. INTRODUCTION
Abstract— Considering the needs for light, resistant, reliable
combination of two processes gas way and ceramic way. This
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.
work will combine the implementation of processes, the
II. MÉTHODES D’ÉLABORATION DE LA MATRICE DES
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
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
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):
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.
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 :
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)
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
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 HighTemperature
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 thermoplasticand thermosetting-composites: A comparative study »,
Composite Structures, Volume 101, Pages 9-21, July 2013.