Dépôt CVD sur fil SiC chauffé par micro-ondes à partir de précurseurs non halogénés pour application aéronautique

CVD Deposition on SiC fibre tow heated by microwave from non-halogenated precursors for aeronautics application

• Auteur / Autrice : Pierre Fenetaud
• Direction : Sylvain Jacques
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 14/01/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Marinel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Jacques, Sylvie Bonnamy, Elisabeth Blanquet, Catherine Marichy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Bonnamy, Elisabeth Blanquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à matrice céramique

Couches minces

Mots clés libres

Dépôt en continu

Interphase

Composite à Matrice Céramique

Carbure

Couches minces

Nitrure

Carbide

Thin films

Interphase

Nitride

Ceramic Matrix Composite

Continuous process

Résumé

L’introduction des composites à matrice céramique (CMC) dans les moteurs d’avion offre des gains significatifs de masse et de rendement. Pour améliorer la qualité de la liaison interfaciale entre le renfort fibreux et la matrice SiC dans des CMC, un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en paroi froide par chauffage micro-onde sur un fil SiC a été développé. Des couches minces d’interphases de BN et de revêtements de protection en SiC et en Si3N4 sont ainsi élaborées à partir de précurseurs non halogénés.L’étude de la dégradation en température des précurseurs sélectionnés a permis de définir des conditions de dépôt CVD. Les différentes couches minces ont pu être élaborées sur fil multibrin Hi-Nicalon type S statique dans le réacteur. La configuration paroi froide et le chauffage micro-onde ont permis d’explorer une large gamme de température. Des liens ont notamment été établis entre conditions d’élaboration, configurations de réacteur paroi froide ou chaude, nature des sous-produits gazeux, vitesses et régimes de croissance, compositions, morphologies, mécanismes, et microstructures des dépôts grâce à des caractérisations physico-chimiques (MEB, MET, EDS, AES, IRTF etc.). L’homogénéité des couches minces s’est alors avérée fortement dépendante de la pression et de la température.La maitrise du procédé a permis d’élaborer en défilement des interphases BN et des revêtements de protection homogènes et de microstructures contrôlées à une température où les fibres Hi-Nicalon S ne sont pas dégradées. Ensuite, dans le but de se rapprocher de l’application visée, des tests sur composites modèles (minicomposites) ont été menés. Ils ont permis d’évaluer le comportement des interphases en oxydation/corrosion et sur le plan mécanique, à partir de traitement en température sous air humide et d’essais de traction simple et d’indentation (push-out).

The introduction of ceramics matrix composites (CMCs) in aeronautic propulsion allows a significant mass reduction and an increase in fuel efficiency. To improve the interfacial bonding between fibrous reinforcement and matrix in SiC/SiC CMCs, a cold wall chemical vapour deposition (CVD) process by microwave heating on a SiC fibre tows has been developed. Thin films of BN interphase as well as SiC and Si3N4 protection layers have thus been deposited from non-halogenated precursors.CVD deposition conditions have been defined thanks to the thermal degradation analysis of those precursors. Firstly, several thin solid films have been synthesized on Hi-Nicalon type S fibre tows with a static position inside the CVD reactor. The cold wall design and microwave heating allow the use of a wide range of processing temperature. Dependencies between the conditions of deposition, the hot wall or cold wall reactor design, the gaseous by-products, the kinetics and CVD regimes, the compositions, morphologies and microstructures as well as the mechanism of deposition have been identified by the use of physicochemical analysis (SEM, TEM, EDS, AES, FTIR etc.). The film homogeneity has appeared to be strongly linked to the process temperature and pressure.Mastering the static process enabled the deposition on a continuous moving tow. The films obtained have shown a controlled thickness, homogeneity and microstructure without degradation of the Hi-Nicalon type S fibres properties. In the aim of approaching the wanted application, model SiC/SiC composites (minicomposites) have been tested with several continuous coating synthesized with the developed apparatus. Heat treatment under moist air, simple tensile and push-out tests offer a description of the oxidation/corrosion and of the mechanical behaviour of those interphase layers.