Elaboration et caractérisation d'objets massifs nanocomposites base carbure de silicium comme absorbeurs solaires

Polymer-derived carbide and carbonitride nanocomposites through molecular engineering as high temperature absorber materials

• Auteur / Autrice : Maxime Balestrat
• Direction : Samuel Bernard, Nicolas Pradeilles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Claude Estournès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Chollon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Bessada, David Portehault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Carbure de silicium

Centrales solaires

Énergie -- Conversion directe

Mots clés libres

Absorbeur Solaire

Polymères Précéramiques

(nano)composite TiC/SiC

Solar Absorbers

Polymer Derived Ceramics

(nano)composite TiC/SiC

Résumé

Pour améliorer l'efficacité de la conversion solaire en électricité, les Centrales solaires thermodynamiques (CSP) doivent relever le défi industriel de fonctionner à des températures élevées (jusqu’à 1000 °C). Les recherches et développements au cours des dernières années ont donc mis l'accent sur les matériaux qui composent l'absorbeur solaire, ou récepteur, dont le rôle est clé dans la performance globale du système CSP. Le carbure de silicium (SiC) présente une inertie chimique, une résistance à l'oxydation à haute température et une robustesse compatibles qui font de cette céramique la référence des matériaux récepteurs dans les CSP. Dans le cadre de cette thèse, il est développé différentes compositions de matériaux composites à matrice en SiC, issues de toute la chimie des polymères précéramiques. L’incorporation chimique, dans ces polymères, d’éléments précurseurs d’une seconde phase carbonitrure de titane permet d’améliorer la sélectivité optique du matériau final. Les précurseurs des systèmes TiCxN(1-x)/Si(B)C et TiCxN(1-x)/SiC(N) (avec 0<1) ont principalement été étudiés par RMN solide et spectroscopie infrarouge. La céramisation de ces polymères a été suivie par ATG/MS. Et enfin, les phases céramiques obtenues ont été principalement caractérisées par DRX, Raman, MEB-EDX et TEM. L’élaboration en pièces denses de matériaux dans ces mêmes systèmes a également été développée dans ce travail de thèse par un procède de compactage à chaud des polymères ou par des techniques de frittage flash sous charge des poudres amorphes. Des mesures de réflectance et de propriétés mécaniques ont ainsi pu être effectuées.

A common industrial challenge to improve the efficiency of the solar-to-electricity conversion for concentrating solar power (CSP) is to operate at high temperatures (around 1000°C). Research and development efforts on over recent years have therefore focused on the materials that compose the solar absorber which plays the key role in the overall CSP system performance. Silicon carbide (SiC) exhibits a chemical inertness, a high temperature oxidation resistance and a robustness compatible with the operating conditions of further CSP systems. In this work, Polymer derived nanocomposites ceramics TiCxN(1-x)/Si(B)C et TiCxN(1-x)/SiC(N) (with 0<1) have been developed to be use as solar absorber. A complete characterization from the polymer to the final material is done using techniques as Solid-state NMR, FTIR, TGA, XRD, Raman SEM and TEM. The bulk shaping process was also investigated. Hot pressing at the polymeric state and Flash Sintering on amorphous PDCs powders has been done.