Élaboration et caractérisation de céramiques de type oxynitrure et des composites à matrice céramique associés

Development and characterization of oxynitride ceramics and related ceramic matrix composites

• Auteur / Autrice : Mattéo Bebot
• Direction : Samuel Bernard, Sophie Beaudet-savignat, Patrick Hourquebie
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2025
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences et Ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les Céramiques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IRCER AXE 3 ORGANISATION STRUCTURALE MULTI-ECHELLE DES MATERIAUX

Mots clés

Mots clés libres

Ceramiques

Polymère Pré-céramique

Pip

Pdc

Composite

Ceramics

Pre-ceramics polymer

Pip

Pdc

Composites

Résumé

Les matériaux sont souvent au cœur des nouvelles technologies et des processus d'innovation. C'est le cas des composites à renfort fibreux céramique et à matrice céramique (CMC) qui allient légèreté, tenue thermomécanique et tolérance à l'endommagement en fonction du choix des différents constituants qui les compose (à minima : les fibres, l'interphase et la matrice). Aujourd'hui, un des défis est de fabriquer des CMC stables en continu à haute température et multifonctionnels. Dans ce contexte, le choix de la matrice est déterminant. Notre objectif est en droite ligne des derniers programmes de recherche et de développement menés par les deux acteurs du présent projet en lien avec le procédé PDC (Polymer-Derived Ceramics). Ce projet - en mettant notamment l'accent sur la relation procédé-structure-propriétés – doit permettre de valider l'approche PDC pour l'élaboration de CMC de nouvelle génération et lever les différents verrous scientifiques et technologiques à fort enjeu pour l'exploitation future de ceux-ci, à l'échelle industrielle notamment. Ils devraient aboutir, au terme du projet de thèse à des briques technologiques nécessaires à la réalisation de composants CMC à matrice oxynitrure en accord avec les défis sociétaux futurs. Le présent projet de thèse s'appuie sur une collaboration entre l'Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER-UMR 7315 CNRS-UL) et le CEA Le Ripault. L'étude se positionne plus particulièrement sur le développement d'une nouvelle génération de CMC à renfort fibreux et à matrice synthétisée dans les systèmes nitrures et oxynitrures dans un objectif de développement de propriétés diélectriques, mécaniques et thermiques spécifiques. Ce CMC sera constitué de fibres d'alumine ou de mullite qui formeront la préforme fibreuse et d'une matrice base nitrure/oxynitrure. Le CMC devra répondre aux défis précisés ci-dessus, en particulier grâce à une stabilité thermochimique et des caractéristiques thermomécaniques compatibles avec un fonctionnement à haute température (>1700 °C) pendant des durées courtes. Parmi les procédés d'élaboration envisagés pour la conception d'un tel CMC, la méthode proposée dans ce projet repose sur la densification d'une préforme fibreuse à l'aide de polymères précéramiques via le procédé PIP pour « Polymer Impregnation (ou infiltration) and Pyrolysis ». Cette préforme fibreuse pourra être comblée à l'aide de charges minérales par un procédé d'injection de barbotine préalablement à la mise en œuvre du procédé PIP. Le projet mettra plus particulièrement l'accent sur : (1) La synthèse de polymères précéramiques à façon, (2) l'étude des propriétés rhéologiques des polymères, éventuellement « chargés » de poudres minérales, (3) la mise en forme par imprégnation, (4) l'étude de la compatibilité et de l'accroche « fibres-matrice », (5) le contrôle du retrait volumique pendant la conversion en céramiques de type oxynitrure, (6) le développement des structures à base de nitrures/oxynitrures, (7) la caractérisation multi-échelle des céramiques et des CMC dérivés.

Materials are often at the core of new technologies and innovation processes. This is the case for ceramic fiber-reinforced ceramic matrix composites (CMCs), which combine lightness, thermomechanical resistance, and damage tolerance depending on the choice of their different constituents (at minimum: fibers, the interphase, and the matrix). Today, one of the major challenges is to manufacture CMCs that are both continuously stable at high temperature and multifunctional. In this context, the choice of the matrix is critical. Our objective is directly in line with the latest research and development programs conducted by the two partners of this project in connection with the PDC (Polymer-Derived Ceramics) process. By focusing in particular on the process–structure–property relationship, this project aims to validate the PDC approach for the development of next-generation CMCs and to address the key scientific and technological challenges that will be crucial for their future large-scale industrial exploitation. By the end of the doctoral work, the project is expected to deliver technological building blocks necessary for the fabrication of oxynitride matrix CMC components in line with future societal challenges. This PhD project is based on a collaboration between the Institute for Research on Ceramics (IRCER–UMR 7315 CNRS–University of Limoges) and CEA Le Ripault. The study specifically focuses on the development of a new generation of fiber-reinforced CMCs with matrices synthesized within nitride and oxynitride systems, with the aim of achieving specific dielectric, mechanical, and thermal properties. This CMC will be composed of alumina or mullite fibers forming the fibrous preform, and a nitride/oxynitride-based matrix. The CMC must address the challenges outlined above, particularly through thermochemical stability and thermomechanical properties compatible with short-term operation at very high temperatures (>1700 °C). Among the fabrication routes considered for designing such a CMC, the method proposed in this project relies on densifying a fibrous preform using preceramic polymers through the PIP process (“Polymer Impregnation [or Infiltration] and Pyrolysis”). The fibrous preform may also be filled with mineral fillers via a slurry injection process prior to implementing the PIP route. The project will place particular emphasis on: 1- The tailored synthesis of preceramic polymers, 2- The study of rheological properties of polymers, possibly “loaded” with mineral powders, 3- Processing by impregnation, 4- Investigation of fiber–matrix compatibility and interfacial bonding, 5- Control of volumetric shrinkage during conversion into oxynitride ceramics, 6- Development of nitride/oxynitride-based structures, 7- Multi-scale characterization of the resulting ceramics and CMCs.