Composites fibreux denses à matrice céramique autocicatrisante élaborés par des procédés hybrides

Dense self-healing ceramic matrix composites fabricated by hybrid processes

• Auteur / Autrice : Jérôme Magnant
• Direction : René Pailler, Alain Guette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 15/11/2010
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Bertrand, Jean-Marc Heintz, Yann Le Petitcorps
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Bonnet, Claude Estournès

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à matrice autocicatrisante

Matériaux hybrides

Composites à fibres

Composites à matrice céramique

Mots clés libres

Composite à Matrice Céramique

Fibres multidirectionnelles et continues

Matrice dense

Matrice hermétique

Matrice autocicatrisante

Procédé hybride

Procédé rapide

Infusion de suspension céramique colloïdale

Frittage flash

Lit de poudre

Imprégnation de métaux liquides

Xérogel de carbone

Carbone poreux

Carbure de silicium lié par réaction (RBSC)

Carbure de bore lié par réaction (RBBC)

Nitrure de silicium

Borure de titane

Ceramic Matrix Composite (CMC)

Multidirectional fibers

Continuous fibers

Dense matrix

Hermetic matrix

Self-healing matrix

Self-sealing matrix

Hybrid process

Near net shape process

Low cost process

Short-time process

Slurry impregnation

Slurry infusion

Spark Plasma Sintering (SPS)

Powder bed

Melt Infiltration (MI)

Liquid Silicon Infiltration (LSI)

Résumé

L'élaboration de composites à matrice céramique denses et à fibres continues multidirectionnelles par de nouveaux procédés hybrides a été étudiée. Les procédés développés reposent sur le dépôt d'interphases autour des fibres par Infiltration Chimique en phase Vapeur (CVI) puis sur l'introduction de poudres céramiques au sein de préformes fibreuses par infusion de suspensions aqueuses colloïdales concentrées et stables, et enfin sur la consolidation des préformes soit par frittage flash, soit par imprégnation réactive de métaux liquides.La consolidation des composites par frittage flash est très rapide (palier de maintien en température inférieure à 5 minutes) et permet d'obtenir des composites denses. Durant le frittage, la dégradation des fibres de carbone a pu être évitée en adaptant le cycle de pression afin de limiter l'évolution des gaz au sein du système.La densification totale des composites par imprégnation de métaux liquides a été obtenue en contrôlant attentivement les paramètres d'imprégnation afin d'éviter de piéger des espèces gazeuses au sein des préformes fibreuses.Les composites à fibres de carbone consolidés par frittage flash ou par imprégnation réactive de métaux liquide possèdent un comportement mécanique de type élastique endommageable ainsi qu'une contrainte à rupture en flexion voisine de 300 MPa. Ces composites ont montré leur capacité à s'autocicatriser dans des conditions oxydantes. Comparés aux composites à matrice céramiques élaborés par CVI, les composites densifiés par imprégnation de métaux liquide sont eux parfaitement denses et ont un comportement mécanique en traction à température ambiante similaire avec notamment une contrainte à rupture en traction de 220 MPa.

The fabrication of multidirectional continuous carbon fibers reinforced dense self healing Ceramic Matrix Composites by new short time hybrid processes was studied. The processes developed are based, first, on the deposition of fiber interphase and coating by chemical vapor infiltration, next, on the introduction of ceramic powders into the fibrous preform by Slurry Impregnation and, finally, on the densification of the composite by liquid-phase Spark Plasma Sintering (SPS) or by Reactive Melt Infiltration of silicon (RMI).The homogeneous introduction of the ceramic particles into the multidirectional fiber preforms was realized by slurry impregnation from highly concentrated (> 32 %vol.) and well dispersed aqueous colloid suspensions. The densification of the composites by spark plasma sintering was possible with a short (< 5 minutes) dwelling period in temperature. The chemical degradation of the carbon fibers during the fabrication was prevented by adapting the sintering pressure cycle to inhibit gas evolution inside the system. The composites elaborated are dense. The fully densification of the composites by RMI was realised by carefully controlling the impregnation parameters to avoid to entrap some gaseous species inside the fiber preforms. Our carbon fiber reinforced ceramic matrix composites processed by Spark Plasma Sintering or Reactive Melt Infiltration have a damageable mechanical behaviour with a room temperature bending stress at failure around 300 MPa and have shown their ability to self-healing in oxidizing conditions. Compared to the CMC processed by CVI, the composites processed with a final consolidation step by RMI are fully dense and have a similar room temperature tensile test behaviour with an ultimate tensile stress around 220 MPa.