Etude de bicouches de carbone et de diborure de titane elaborees par depot chimique en phase vapeur sous pression reduite ; application aux revetements de torons de fibres de carbone pour composites a matrice metallique

par Pierre Bertrand

Thèse de doctorat en Sciences appliquées

Sous la direction de A. REVCOLEVSCHI.

Soutenue en 1996

à Paris 11 .

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  • Résumé

    Ce manuscrit presente l'etude d'une protection sur les fibres de carbone, pour des applications dans les composites a matrice aluminium, composee d'un revetement bicouche de carbone pyrolytique + diborure de titane (cp+tib#2). Cette solution a ete adoptee dans le but de decoupler, au niveau de l'interphase fibre/matrice, les fonctions physico-chimiques (mouillage et barriere chimique) des fonctions mecaniques (role de fusible mecanique). Un reacteur de depot chimique en phase gazeuse permettant l'emploi de precurseurs chlores a tout d'abord ete concu pour realiser le revetement de diborure de titane. Des etudes cinetiques et morphologiques sur chacun de ces revetements (cp et tib#2) ont ete menees afin de mettre au point les conditions favorables au processus d'infiltration de trorons de plusieurs milliers de filaments. Ainsi, dans le cas du depot de carbone, il apparait que la decomposition radicalaire du precurseur (c#2h#4) dans la phase gazeuse est l'etape limitant la cinetique de depot. De plus, la microstructure de ce revetement semble etre tres liee a la nature des chaines hydrocarbonees presentes dans la phase gazeuse. Dans le cas du depot de tib#2, des etudes thermodynamique et cinetique ont montre le domaine etroit de concentration (ticl#4/bcl#30,5) necessaire pour obtenir une vitesse de depot importante et eviter le co-depot de bore. La recherche des mecanismes limitants a mis en evidence l'influence du rapport ticl#4/bcl#3 sur l'etape responsable de la croissance du depot suggerant ainsi, que deux mecanismes reactionnels, tous les deux dans le cadre des reactions de surface, pourraient controler cette croissance. L'estimation des contraintes d'origine thermique dans les systemes fibre+depots suite a leur elaboration montre que des contraintes axiales allant jusqu'a 2000mpa dans le revetement de tib#2 ne conduise pas experimentalement a sa fissuration. Cependant, un endommagemant de la contrainte a rupture du monofilament de carbone revetu de tib#2 est enregistre. Il est apparu, en effet, que la presence d'une couche fragile contribue a diminuer la resistance a rupture de la fibre revetue. Neanmoins, dans le cas du depot double couche, il semble possible d'obtenir un compromis, qui permette d'assurer la protection de la fibre tout en conservant les proprietes du monofilament initial, en maintenant une epaisseur de tib#2 suffisamment faible (<15nm) et une epaisseur de cp capable d'attenuer les concentrations de contrainte. Enfin, des composites ont ete elabores a partir de torons de fibres t800 revetues soit de cp, soit de cp+tib#2, pour evaluer l'efficacite et l'incidence de ces depots sur la resistance a la rupture du composite final. Pour certaines conditions d'elaboration, le depot de cp permet a lui seul d'eviter la formation de phases fragiles et favorise la decohesion aux interfaces. Des contraintes a rupture en sens long de 1800mpa ont pu etre atteintes dans un composite unidirectionnel constitue d'une matrice (al+10% en poids de mg) et d'un renfort t800+cp. Pour sa part, le revetement duplex permet une meilleure repartition des fibres dans le composite et assure le maintien des proprietes de resistance a rupture apres un traitement thermique de 16 heures a 540c

  • Titre traduit

    Realization of carbon titanium diboride double layer by low pressure chemical vapor deposition ; coatings of carbon fibers yarms for metallic matrix composites applications


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  • Détails : 135 P.
  • Annexes : 114 REF.

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