Matériaux composites à matrice céramique et à renfort par fibres longues

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.

AUTEUR(S)

Gérald CAMUS : Chercheur CNRS, Laboratoire des composites thermostructuraux (LCTS), Pessac, France
Christophe LORRETTE : Ingénieur de recherche CEA/DEN, LCTS, Pessac, 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 ^o C 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...

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MOTS-CLÉS

état de l'art | composites | céramiques | aéronautique | spatial

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