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Article

1 - PRÉSENTATION DES COMPOSITES CÉRAMIQUES À FIBRES LONGUES

2 - COMPORTEMENT DES CMC

3 - PROTECTIONS CONTRE LES DÉGRADATIONS EN CONDITIONS D'USAGE

4 - APPLICATIONS

5 - CONCLUSION

| Réf : N4803 v1

Conclusion
Matériaux composites à matrice céramique et à renfort par fibres longues

Auteur(s) : Gérald CAMUS, Christophe LORRETTE, René PAILLER, Francis REBILLAT, Bernard REIGNIER, Francis TEYSSANDIER

Date de publication : 10 nov. 2014

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Sommaire

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RÉSUMÉ

Les matériaux composites à matrice céramique ont été développés pour des utilisations en conditions extrêmes : haute température, milieu oxydant, sous contrainte mécanique, voire sous irradiation. Bien que composés de céramiques, ces matériaux sont "défragilisés" afin d'éviter leur rupture catastrophique, ce qui a permis de les utiliser dans l'aéronautique et le spatial. Ils sont actuellement étudiés pour de futures utilisations dans l'industrie nucléaire. Cet article décrit leurs principaux constituants et les procédés d'élaboration associés. Il précise leur comportement lorsqu'ils sont soumis aux contraintes de leurs applications. Enfin l'article est illustré par diverses applications.

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ABSTRACT

Ceramic matrix composite materials with long fibers reinforcement

Ceramic matrix composites (CMCs) are made of long silicon carbide or carbon fibres embedded in a ceramic matrix. They were developed for extreme operating environments: high temperatures, oxidising atmospheres, under mechanical stress or under irradiation. Though composed of brittle ceramic materials, the composite is tough, and so can be used in aircraft, spacecraft or nuclear applications. This article describes the main components of the composite and the associated fabrication processes. Their mechanical and thermal behaviours, and the influence of oxidative atmospheres or irradiation are described. Examples of CMC parts are lastly shown.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Les matériaux céramiques sont durs mais fragiles. De très nombreux travaux ont été consacrés à l'amélioration de la ténacité des céramiques notamment en dispersant dans la céramique des particules ou des fibres courtes afin de dévier les fissures ou de les fractionner. Il est également possible de réaliser des matériaux céramiques tenaces en fabriquant des matériaux composites à matrice céramique (CMC) et à fibres longues. Le renfort constitué par ces fibres assure les propriétés mécaniques du matériau et la matrice céramique les protège de l'environnement. Les différents CMC sont désignés sous la forme de deux intitulés séparés par une barre oblique (C/C, C/SiC, SiC/SiC...) le premier désignant le matériau de la fibre/le second celui de la matrice. Lorsque la matrice comporte des phases supplémentaires, c'est le composant principal de la matrice qui est mentionné.

Ces composites, qui sont utilisés majoritairement dans des applications en conditions extrêmes, sont dits « thermostructuraux », c'est-à-dire qu'ils peuvent être utilisés à haute température comme matériau de structure et doivent donc conserver leurs propriétés mécaniques en conditions de fonctionnement. Leurs domaines d'application sont actuellement essentiellement l'aéronautique, l'espace et le nucléaire. Suivant les applications, ils sont soumis à des températures de fonctionnement allant de 400 à plus de 2 000 oC dans des atmosphères oxydantes (air, gaz de combustion de réacteur...). Ils peuvent subir des contraintes allant de simples vibrations à des contraintes multiaxiales. Enfin, dans le domaine du nucléaire, ils peuvent être soumis à des irradiations. Les fibres qui sont essentiellement des fibres de carbone, de carbure de silicium ou d'oxydes (alumine, basalte, mullite) supportent l'essentiel de la charge appliquée. Ainsi, elles doivent avoir une résistance à la rupture et un module élastique les plus élevés possibles, associés à une bonne résistance à la fatigue et une faible densité (pour les applications aéronautiques et spatiales). Selon le type d'utilisation, elles doivent également présenter une bonne résistance à l'oxydation, au fluage et à la fissuration sous critique (propagation d'une fissure, le plus souvent par corrosion, pour des facteurs d'intensité de contraintes appliquées inférieures aux contraintes macroscopiques qui déclenchent l'endommagement), une conductivité thermique élevée et être compatibles avec l'interphase ou la matrice, lors de l'élaboration ou de l'utilisation. Elles peuvent être tissées, tressées ou assemblées sous forme de produits semi-finis (feutres, nappes unidirectionnelles...), ce qui constitue une préforme de la pièce finale. Cette préforme est densifiée par une matrice en céramique qui rend la pièce dense et protège les fibres contre les agressions de l'environnement. Contrairement aux composites habituels (composites à matrice organique ou métallique CMO ou CMM), dans les CMC le module d'élasticité de la matrice est supérieur ou égal à celui de la fibre et la déformation à rupture de la matrice est inférieure à la déformation à rupture de la fibre.

Les matériaux céramiques sont cependant fragiles et un troisième composant est introduit dans ces composites afin de les « défragiliser ». Il s'agit d'une interphase aisément clivable de faible épaisseur, comprise entre la fibre et la matrice. Le rôle et la conception de cette interphase seront détaillés plus loin dans l'article. Mentionnons seulement dans cette introduction qu'elle doit conférer une liaison fibre/matrice suffisamment élevée pour transférer correctement vers le renfort fibreux la charge appliquée à la pièce, mais suffisamment faible pour empêcher les fissures générées dans la matrice de se propager au renfort et de rompre les fibres. Elle joue donc le rôle de « fusible » mécanique, mais peut, suivant la nature de ces phases, également jouer le rôle de protection des fibres contre l'oxydation. Cette interphase confère au composite son caractère tenace et « endommageable » qui prévient sa rupture catastrophique. L'objet de cet article est de présenter ces matériaux dont les applications sont encore réservées à des utilisations très spécifiques. Il s'agit en particulier de présenter l'état de l'art de leur élaboration et de la compréhension de leur comportement mécanique, thermique et sous oxydation. Quelques exemples d'application seront présentés en dernière partie de cet article.

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KEYWORDS

aeronautics   |   composites   |   spatial   |   ceramic materials   |   Chemical Vapor Infiltration

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n4803


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5. Conclusion

Les CMC sont étudiés et développés depuis les années 1970. Plusieurs ruptures scientifiques et technologiques ont permis de les industrialiser : leur « défragilisation » par l'optimisation de la liaison fibre/matrice en introduisant une interphase et la mise au point d'un procédé de densification par CVI. L'autocicatrisation est une autre rupture qui a augmenté considérablement la durée de vie des pièces en CMC. Les pièces élaborées par la voie CVI ont des propriétés mécaniques élevées qui sont bien conservées à haute température et ces matériaux ont, dans un premier temps, été utilisés essentiellement pour des applications à haute valeur ajoutée pour lesquelles le coût de pièces n'est pas un facteur limitant : aéronautique militaire et spatial. Des efforts importants sont consacrés au développement de procédés de densification moins onéreux, afin de pouvoir introduire ces matériaux dans les moteurs pour l'aéronautique civile qui est un domaine beaucoup plus concurrentiel. Plusieurs pièces peuvent en effet bénéficier de la faible densité, de la résistance à l'oxydation et du comportement mécanique à haute température de ces matériaux : les arrières- corps des moteurs, les mélangeurs de flux (ces pièces ont été réalisées en CMC et testées en vol) et les aubes de turbines. Les aubes qui sont des pièces complexes et soumises à des contraintes élevées sont un enjeu considérable pour ces matériaux. Leur industrialisation validerait définitivement l'utilisation de ces matériaux dans des applications à forte diffusion.

La palette des matériaux pouvant être utilisés pour composer les constituants élémentaires des CMC (fibre, interphase, matrice) et des procédés associés augmente grâce aux travaux de recherche. Ces matériaux devraient à terme pouvoir être réalisés sur mesure pour une application donnée. Il s'agira alors d'associer tous les ingrédients nécessaires pour atteindre les propriétés recherchées dans des conditions de fabrication économiquement compétitives.

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BIBLIOGRAPHIE

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  • ...

1 Sites Internet

Laboratoire des composites thermostructuraux http://www.lcts.u-bordeaux1.fr/

Composites thermostructuraux : des matériaux d'exception http://www.herakles.com/innovation/composites-thermostructuraux/?lang=fr

Les composites thermostructuraux – Pierre Bétin

Université de tous les savoirs http://www.canal-u.tv/video/universite_de_tous_les_savoirs/les_composites_thermostructuraux.1134

Les grandes familles de matériaux composites http://www.si.ens-cachan.fr/accueil_V2.php?page=affiche_ ressource=166

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2 Événements

Congrès HTCMC, International Conference on High Temperature Ceramic Matrix Composites http://www.htcmc8.org/

Congrès ICACC, International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites

Daytona Beach, Floride, États-Unis http://www.ceramics.org/meetings/38th-international-conference-and-...

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