Conception et élaboration par fabrication additive de structures 3D céramiques pour le renforcement mécanique d’isolants thermiques à haute température

Conception and elaboration of 3D ceramic open structure by Additive Manufacturing for high thermal insulator reinforcement.

• Auteur / Autrice : Axel Dieraert
• Direction : Philippe Belleville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 30/01/2020
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (Monts, Indre-et-Loire)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Monot-Laffez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Faustini, Roland Jean-Marc Pellenq, Clément Sanchez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Rossignol, Stéphane Parola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poudres céramiques

Gel de silice

Composites céramiques-polymères

Aérogels

Propriétés thermomécaniques

Effets des hautes températures

Isolants thermiques

Additifs

Matériaux céramiques

Composites 3D

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Céramique

Stéréolithogaphie laser

Polymère précéramique

Additive manufacturing

Thermal insulator

Ceramic

Stereolithography

Polymer Derived Ceramic

Résumé

Les aérogels font partie des isolants thermiques à haute température les plus performants en raison de leur très forte porosité hiérarchisée. En revanche, ce sont des matériaux très fragiles ce qui limite fortement leur utilisation. Une solution pour renforcer ces matériaux consiste à les imprégner sur des squelettes céramiques résistants. En s’appuyant sur la démarche « Matériaux Numériques » développée au CEA Le Ripault, qui consiste à déterminer à partir d’expériences de simulations numériques les propriétés thermomécaniques d’un objet, il a été montré que les géométries des supports optimisant ces propriétés sont des architectures très complexes qu’il n’est pas possible d’élaborer via les techniques traditionnelles de mise en forme. En revanche, la fabrication additive et plus particulièrement la stéréolithographie laser est parfaitement adaptée à l’élaboration de ces matériaux. Cependant, les formulations actuelles de résines de stéréolithographie ne permettent pas l’élaboration des objets cibles en céramique pour une utilisation à haute température avec de bonnes propriétés mécaniques.Dans ces travaux, nous présentons la synthèse de nouvelles céramiques à partir de résines acrylates et d’une charge de type polymère précéramique ou nanopoudre inorganique. Ces résines sont polymérisées à l’aide du laser ultraviolet d’une imprimante de stéréolithographie pour mettre en forme la pièce crue, dont l’architecture a été déterminée à l’aide de la démarche « Matériaux Numériques ». Lors d’une étape de traitement thermique, la partie inorganique est consolidée et la partie organique éliminée pour former la céramique. Nous discutons également des paramètres critiques qui influencent la résolution d’impression et la qualité de la structure finale, notamment sa microstructure. L’influence de cette microstructure et de l’architecture de la céramique sur les propriétés thermomécaniques ont été étudiées. Finalement, le renforcement d’aérogel de silice à l’aide de ces structures à géométries optimisées a été réalisé et les caractérisations ont montré l’efficacité de ces renforts mécaniques.

The aerogels are very effective materials for high thermal insulation because of high and hierarchical porosity. However, these materials are very weak which limits their used. Impregnate aerogel on ceramic skeleton is a solution to improve the mechanical properties. The “Numerical Material” approach developed by CEA Le Ripault (which consists to predict thermomechanical properties of an object with numerical simulations) has shown that optimized geometry have very complex architecture, based on Kelvin or Kagome pattern for example. Additive manufacturing and specially stereolithography is increasingly becoming the technology of choice for the elaboration of ceramics with complex architecture. To elaborate the objects that we want to use as aerogel reinforcement, new formulation of resins needs to be developed.We report work on synthesis new ceramics from preceramic polymers or inorganic nanopowder loaded acrylates resins that are cured with ultraviolet light in a stereolithography 3D printer. After a thermal debinding and sintering step, the part turns into a dense ceramic open structure, whose architecture has been designed with “Numerical Material” experiments. Critical parameters that influence the printing resolution and the microstructure of the ceramic built are investigating. Relations between microstructure, architecture and thermomechanical properties have been studied with regard to the high temperature super insulation material application. Finally, the reinforcement of silica with aerogel optimized ceramic skeletons were performed and the characterizations have shown the efficiency of the reinforcement.