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

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : N4803 v2

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 août 2016

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

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.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Ceramic matrix composite materials with long fibers reinforcement

Ceramic matrix composites are composed of long silicon carbide or carbon fibers embedded in a ceramic matrix. They were developed for extreme operating environments: high temperatures, oxidizing atmospheres, under mechanical stress or under irradiation. Though composed of brittle ceramic materials, the composite is tough and can accordingly be used in aircraft, spacecraft or nuclear applications. This article describes the main components of the composite and their elaboration processes. The mechanical and thermal behaviors as well as the influence of oxidative atmospheres or irradiations are shown. Examples of CMC part are eventually shown.

Auteur(s)

  • Gérald CAMUS : Chercheur CNRS, Laboratoire des composites thermostructuraux (LCTS), Pessac, France

  • Christophe LORRETTE : Ingénieur-chercheur, CEA, directeur de l'énergie nucléaire, Saclay, France

  • René PAILLER : Ingénieur de recherche CNRS, LCTS, Pessac, France

  • Francis REBILLAT : Professeur université de Bordeaux, LCTS, Pessac, France

  • Bernard REIGNIER : Ingénieur de recherche Herakles groupe SAFRAN, LCTS, Pessac, France

  • Francis TEYSSANDIER : Chercheur CNRS, LCTS, Pessac, France

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 section de cet article.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

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

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-n4803


Cet article fait partie de l’offre

Plastiques et composites

(395 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Plastiques et composites

(395 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - VERBEEK (W.) -   Production of shaped articles of homogeneous mixtures of silicon carbide and nitride.  -  Brevet allemand DE2218960A1 (8 novembre 1973), US3853567A (10 décembre 1974).

  • (2) - YAJIMA (S.), HASEGAWA (Y.), OKAMURA (O.), MATSUZAWA (I.) -   *  -  Nature, London, 273, p. 525 (1978).

  • (3) - BUNSELL (A.R.), PIANT (A.) -   *  -  Journal of Materials Science, 41, p. 823 (2006).

  • (4) - PAILLER (R.), LAMON (J.), GUETTE (A.), SAUDER (C.), MARTIN-LITAS (I.) -   *  -  Annales de Chimie Science des Matériaux, 30(6), p. 565 (2005).

  • (5) - HOUDAYER (M.), SPITZ (J.), VAN (D.T.) -   *  -  US Patent no 4472454 (1984).

  • (6) - DAVID (P.), BENAZET (J.-D.), RAVEL (F.) -   *  -  In : Advanced Structural Fiber Composites, VICENZINI (P.) Ed., CIMTEC Proceedings....

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Plastiques et composites

(395 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS