Les composites à matrice céramique [Ban14] constituent une classe de matériaux relativement récente, dont les développements proviennent initialement du secteur spatial. Ils ont été découverts de façon fortuite, lorsqu’un ingénieur s’est rendu compte qu’un composite à matrice polymère pyrolysé avait des propriétés structurales, donnant lieu au premier composite carbone-carbone. Ces premiers CMC ont les applications les plus matures de l’ensemble de la famille, en tant que col et divergent de tuyère pour la propulsion spatiale, en tant que système de protection thermique (TPS) pour la rentrée atmosphérique puis plus récemment pour le freinage aéronautique, le plus gros marché actuellement [Sav93,Fit98,Hat14,Chu16,Dav16].

Les performances de ces matériaux sont fascinantes : ils maintiennent leurs propriétés mécaniques jusqu’à des températures extrêmes (jusqu’à 3000°C) et font montre de ténacité, tout en étant bien plus légers que les métaux qui pourraient avoir la même réfractarité, comme le tungstène.

En parallèle à ces familles basées sur les fibres de carbone, qui disposent d’un marché énorme avec les composites à matrice organique (CFRP), deux autres familles sont apparues, grâce à la mise au point de fibres céramiques : (i) les fibres de type oxyde (quartz, alumine, mullite, etc …), auxquelles on adjoint une matrice oxyde – on a donc des composites oxyde/oxyde, et (ii) les fibres non-oxyde, dont les plus importantes sont les fibres de SiC, auxquelles on adjoint des matrices également non-oxydes : carbures, borures, nitrures …. Les composites oxyde/oxyde, de performances intéressantes à des températures moins élevées (< 1000°C) et en ambiance oxydante, ont trouvé des débouchés comme pièces dans les turbines terrestres puis aéronautiques ; les SiC/SiC, avec de meilleures performances notamment à chaud, sont en train de prendre le même chemin ; par contre, ces derniers matériaux ont actuellement un prix de revient élevé qui rend leur utilisation à grande échelle difficile. C’est pourtant le défi que relèvent maintenant les quatre grands motoristes du monde occidental : GE, Pratt&Whitney/UTC, Rolls-Royce et Safran. L’enjeu est immense puisqu’économiser 1% de carburant sur toute l’aéronautique civile représente un marché de l’ordre de 20 Md€ … Le réacteur LEAP du consortium GE/Safran est déjà un démonstrateur contenant des CMC. Au-delà de cette application très prometteuse et sur laquelle la bataille de l’innovation est intense, on trouve d’autres utilisations des CMC dans l’industrie et l’énergie comme pièces structurales réfractaires, brûleurs, échangeurs de chaleur, et comme revêtements de combustible nucléaire dans le cas des SiC/SiC.

Les CMC sont les matériaux les plus performants pour le freinage dans l’automobile haut de gamme et de compétition. Deux types de CMC sont employés :

– Les composites Carbone/Carbone pour le freinage en Formule 1

– Les composites Carbone/SiC pour le freinage de voitures haut de gamme

Enfin, les CMC sont employés pour l’évacuation de gaz d’échappement, leur température pouvant aller jusqu’à 800°C.

Les CMC sont des matériaux qui permettent les échanges thermiques dans des conditions extrêmement exigeantes : hautes températures, efforts mécaniques, ambiance corrosive. A ce titre, ils sont envisagés dans les filières énergétiques faisant appel à ce type de conditions, comme le thermique classique (à combustion).

Les SiC/SiC ont de plus une propriété supplémentaire : ils résistent très bien aux neutrons et sont naturellement « tolérants aux accidents » de type Fukushima, ce qui en fait de très bons candidats pour le gainage du combustible nucléaire de génération III et IV.

Les CMC sont employés dans l’industrie en tant que pièces structurales dans des dispositifs à haute température, en particulier les fours et réacteurs industriels : on en fait des soles, des conformateurs, des outillages et des creusets.

Enfin, une application potentielle est en cours de prospection : le chemisage des galeries de stockage du combustible nucléaire usagé à haute activité et longue durée de vie.