Caractérisation du comportement thermomécanique d'assemblages de carbure de silicium brasés pour les récepteurs des centrales solaires à tour

Characterisation of the thermomechanical behaviour of of brazed silicon carbide assemblies for solar tower power plant receivers

• Auteur / Autrice : Florian Bonzoms
• Direction : Olivier Faugeroux, Thierry Chotard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Rémy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Thil, Yasmine Lalau, Bernard Claudet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoit Rousseau, Pascal Reynaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés thermomécaniques

Carbure de silicium

Capteurs solaires

Mots clés libres

Carbure de silicium

Brasure

Émission acoustique

Caractérisation mécanique

Thermomécanique

Silicon carbide

Braze

Acoustic emission,

Mechanical characterisation

Thermomechanical

Résumé

Cette thèse s'inscrit, dans un contexte de transition énergétique, dans une démarche d'optimisation des systèmes de production d'énergie renouvelable. L'augmentation des performances des centrales solaires à tour passe par l'amélioration des récepteurs pour atteindre de plus hautes températures ou une plus grande longévité. Le carbure de silicium est un matériau prometteur pour cet usage. Cependant les pièces de grandes dimensions ne peuvent pas être réalisées d'un seul morceau: il est indispensable d'avoir recours à un procédé d'assemblage. Les brasures de type \brasic ont été développées pour réaliser des assemblages de carbure de silicium supportant des températures de l'ordre de \qty{1000}{\celsius}, mais leur comportement thermomécanique est mal connu. La compréhension des mécanismes de rupture ainsi que la connaissance des limites d'utilisation de ces matériaux est essentielle pour pouvoir réaliser des récepteurs fiables. Le banc IMPACT est un outil qui a été développé pour réaliser la caractérisation des matériaux dans des conditions d'utilisation sévères, sous flux solaire concentré. Deux nuances de brasures \brasic ont été étudiées: CEA~0 et CEA~1. Les résultats montrent que la nuance CEA~1 est plus résistante vis-à-vis des contraintes thermomécaniques. Deux mécanismes d'endommagement des brasures ont été identifiés à l'aide de l'émission acoustique. De plus, une piste prometteuse est avancée pour un modèle prédictif de la rupture.

This thesis is part of an approach to optimising renewable energy production systems in the context of the energy transition. In order to increase the performance of solar tower power plants, it is necessary to improve the receivers in order to reach higher temperatures or a longer life span. Silicon carbide is a promising material for this purpose, but large parts cannot be made in one piece: a joining process is required. \brasic brazing alloys have been developed to produce silicon carbide assemblies that can withstand temperatures of the order of \qty{1000}{\celsius}, but their thermomechanical behaviour is poorly understood. The understanding of the failure mechanisms as well as the knowledge of the limits of use of these materials is essential to be able to produce reliable receivers. The IMPACT bench was developed to characterise materials under severe conditions of use, under concentrated solar flux. Two grades of \brasic braze alloys have been studied: CEA~0 and CEA~1. The results show that the CEA~1 grade is more resistant to thermomechanical stresses. Two damage mechanisms of the braze alloys were identified using acoustic emission. In addition, a promising approach to a predictive fracture model is presented.