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Thèse Année : 2020

Behavior of an alumina-silica matrix during the processing of oxide/oxide ceramic matrix composites

Comportement d’une matrice alumine-silice au cours de l’élaboration de composites à matrice céramique oxyde/oxyde

Résumé

Oxide/oxide ceramic matrix composites can be used for structural applications operating continuously at temperatures between 500°C and 900°C under oxidizing environments, such as in areas close to aircraft engines. In particular, composites based on a matrix combining alumina and silica are promising. In addition, the processing of these materials comprises several steps. Two of them are essential: the impregnation of the fibrous reinforcement with the suspension and the sintering of the matrix. This PhD thesis focuses on the processing of oxide/oxide ceramic matrix composites using an alumina-silica matrix. It is derived from an aqueous suspension in which the two species are initially present as particles. The aim of this work is to study the behaviour of such a system during the various stages of the manufacturing, i.e. to establish the relationships between processing/microstructure/properties, in order to propose an optimal composition of the matrix regarding the process and the required properties. In particular, the silica proportion will be a crucial parameter. Firstly, since the quality of the impregnation step is based on the ability of the suspension to flow within the fibrous structure, a rheological characterization of the oxide suspensions has been carried out. The rheological behavior has been interpreted on the basis of the domains of predominance of the different interactions within the suspension. Also, the influence of the various suspension characteristics, such as the solid fraction and the alumina-silica ratio, has been examined. Then, the behaviour of this system during the sintering has been studied since this thermal treatment should lead to a microporosity that respects the concept of weak matrix composites. The sintering mechanisms have been identified while the influence of the various parameters on the kinetics has been qualified. Also, relationships with the mechanical properties of the matrix have been established. Finally, composites with Nextel™ 610 reinforcements and a porous alumina-silica matrix have been fabricated and characterized.
Les composites à matrice céramique oxyde/oxyde peuvent être considérés pour des applications structurales opérant, en continu, sous environnement oxydant à des températures comprises entre 500°C et 900°C, comme c’est le cas dans les zones proches des moteurs d’avions. En particulier, les composites reposant sur une matrice associant de l’alumine et de la silice présentent un fort potentiel. En outre, la mise en œuvre de ces matériaux comprend plusieurs étapes dont deux sont essentielles : l’imprégnation du renfort fibreux par la suspension et le frittage de la matrice. Cette thèse s’intéresse à l’élaboration de composites à matrice céramique oxyde/oxyde utilisant une matrice alumine-silice. Celle-ci est issue d’une suspension aqueuse dans laquelle les deux espèces sont initialement présentes sous formes de particules. Aussi, l’objectif de ces travaux est d’étudier le comportement d’un tel système au cours des différentes étapes clés de la fabrication, c’est-à-dire d’établir les relations procédé/microstructure/propriétés, afin de proposer une composition optimale de la matrice au regard du procédé et des propriétés visées. En particulier, la proportion de silice sera un paramètre crucial. Tout d’abord, étant donné que la réussite de l’étape d’imprégnation repose sur la capacité de la suspension à s’écouler au sein de la structure fibreuse, une caractérisation rhéologique des suspensions d’oxydes a été menée. Le comportement rhéologique a été interprété sur la base des domaines de prédominance des différentes interactions au sein de la suspension. Aussi, l’influence des différentes caractéristiques des suspensions, comme la concentration volumique en particules et la proportion alumine-silice, a été examinée. Ensuite, le comportement de ce système au cours du frittage a été étudié puisque ce traitement thermique doit permettre, entre autres, d’aboutir à une microporosité respectueuse du concept de composites à matrice faible. Les mécanismes de frittage ont été identifiés tandis que l’influence des différents paramètres sur la cinétique a été qualifiée. Aussi, des liens avec les propriétés mécaniques de la matrice ont été établis. Enfin, des composites à renforts Nextel™ 610 et à matrice poreuse alumine-silice ont été mis en œuvre et caractérisés.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03153552 , version 1 (26-02-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03153552 , version 1

Citer

Florian Boutenel. Comportement d’une matrice alumine-silice au cours de l’élaboration de composites à matrice céramique oxyde/oxyde. Matériaux. Ecole des Mines d'Albi-Carmaux, 2020. Français. ⟨NNT : 2020EMAC0011⟩. ⟨tel-03153552⟩
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