Matériaux composites à matrice nanostructurée dans les systèmes Si-B-C-Ti et Si-B-C-N - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2006

Composite materials presenting a nanostructured matrix in the Si-B-C-Ti and Si-B-C-N systems

Matériaux composites à matrice nanostructurée dans les systèmes Si-B-C-Ti et Si-B-C-N

Résumé

Micro-nanostructured matrix composites with a carbon fibrous reinforcement were elaborated in the Si-B-C-X system (X = Ti, N) using a new fast, cost effective and reliable hybrid process. The developed process combines an impregnation step of 3D preform from nanoscale carbides and borides powders suspensions, and a densification step of the green body. The objective relies on the carrying out of an improved multiphased matrix with refractory phases, a boron-based phase ensuring self-healing mechanisms from 600°C and a crack deflection phase. The planned applications are in the aeronautics domain in a 600°C – 1100°C temperature range. Two elaborations ways were explored depending on the nature of the initial suspension: silicon carbide or titanium carbide with the addition of boron carbide or boron nitride. In the case of SiC-based suspensions, the mix of particles was dispersed in ethanol using polyethylene imine as a surfactant. Preforms impregnation leads to high packing densities and homogeneous green structures with impregnation ratio including between 55 % and 70 % for 1 to 2 min impregnation times. Then, these preforms were densified using spark plasma sintering or reactive melt infiltration with liquid titanium or alloys in order to fabricate respectively Cf / SiC – B4C or Cf / SiC – BN composites, and Cf / SiC(TiC) – TiB2 - Ti3SiC2 composites. Boron nitride and the ternary phase Ti3SiC2 are used as mechanical fuses and discrete interphases inside the composite matrix. In the case of TiC-based suspensions, the particles are firstly submitted to an acidic treatment in order to improve the dispersion of the mix of powders in the ethanol + polyethylene imine system. With impregnation ratio between 50 and 60 %, the green composite is then infiltrated using liquid silicon or one of its alloys to carry out composites with a SiC(TiC) – TiB2 - Ti3SiC2 matrix. Finally, the different synthesized materials are characterized from a morphological, physicochemical and mechanical point of view. Structure – properties relationships are established.
Des matériaux composites à matrice céramique micro-nanostructurée et renfort fibreux en carbone ont été élaborés dans le système Si-B-C-X (X = Ti, N) par l'intermédiaire d'un nouveau procédé hybride alliant fiabilité, rapidité et minimisation des coûts. Ce dernier combine une étape d'imprégnation de préformes 3D (environ 2 mm d'épaisseur) à partir de suspensions de poudres céramiques nanométriques carbures et borures, suivie d'une étape de densification de la matrice pulvérulentes du composite. L'objectif repose sur la conception d'une matrice multiphasée amélirée présentant une ou des phases réfractaires, une phase borée assurant les mécanismes d'autocicatrisation dès 600°C et un phase déviatrice de fissures. Les applications envisagées sont aéronautiques pour un domaine de température de 600°C à 1100°C. Deux voies d'élaboration ont été explorées suivant la nature de la suspension initiale, à savoir des suspensions de poudres de carbure de silicium ou de carbure de titane dans lesquelles une poudre de carbure ou de nitrure de bore est ajoutée. Dans le cas de suspensions à base de poudres de SiC, le mélange de particules est dispersé dans un système suspensif à base d'éthanol et de polyéthylène imine. Les préformes avec ou sans interphase sont imprégnées à coeur de matériau et présentent des taux de remplissage compris entre 55 % et 70 % pour des temps d'exposition de 1 à 2 min. Ces dernières sont ensuite densifiées par frittage flash ou par infiltration réactive à partir de titane ou d'alliages fondus de manière à former respectivement des composites Cr / SiC - B4C ou SiC - BN, et des composites Cf / SiC(TIC) - TiB2 - Ti3SiC2. Le nitrure de bore et la phase ternaire Ti3SiC2 joue le rôle de fusible mécanique et d'interphase discrète au sein de la matrice composite. Dans le cas de suspensions à base de poudres de TiC, les particules sont préalablement soumises à un traitement acide en vue d'améliorer la dispersion du mélange de poudre dans le système éthanol + polyethylène imine. Présentant des taux d'imprégnation compris entre 50 % et 60 %, le matériau préimprégné est ensuite infiltré par du silicium ou un de ses alliages de manière à réaliser des composites à matrice SiC(TIC) - TiB2 - Ti3SiC2. L'ensemble des matériaux élaborés est caractérisé d'un point de vue morphologique, physico-chimique et mécanique. Des corrélations structure - propriétés sont établies.
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  • HAL Id : tel-03610595 , version 1

Citer

Nicolas Eberling-Fux. Matériaux composites à matrice nanostructurée dans les systèmes Si-B-C-Ti et Si-B-C-N. Physique [physics]. Université Bordeaux 1, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03610595⟩

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