LES CMC : que sont-ils ?
LES CMC (Composites à Matrice Céramique)
Que sont-ils ?
Fig. 1.2 - Composites à matrice céramique pour l’aéronautique : application finale aéronautique (à gauche) et organisation structurale du matériau (vers la droite).
Tout le monde connaît maintenant les « composites », sous-entendu les composites à matrice organique et souvent à renfort fibreux, qui se sont imposés dans de grands secteurs de la vie économique et industrielle par leur légèreté, leurs performances mécaniques très élevées et modulables à façon et leur tenue à certains environnements agressifs. Cependant ces matériaux ne peuvent naturellement pas être employés à de très hautes températures. Ce domaine est usuellement réservé aux céramiques réfractaires, qui, elles pèchent par leur fragilité. Les Composites à Matrice Céramique se proposent en tant que solution à ces problèmes de cahier des charges mécanique, thermique et environnemental à haute température. En effet, le tour de force de ces matériaux est de développer un comportement mécanique non-fragile, sur la base de constituants réfractaires qui sont tous fragiles ! Ceci est rendu possible en jouant sur la texture de la matrice et/ou sur l’insertion d’une interphase placée entre fibres et matrice qui joue le rôle d’un « fusible mécanique ». Le matériau peut alors se multi-fissurer et emmagasiner de l’énergie avant sa rupture finale : on dit qu’il est « endommageable ».
LES CMC (Composites à Matrice Céramique)
Fibres inorganiques
La production de fibres de performances et de coût compétitifs est un des objectifs les plus difficiles qui soient pour la communauté française des CMC car les concurrences japonaise et américaine ont solidement établi un oligopole mondial, que seuls les Chinois – et plus modestement les Allemands – se risquent actuellement à défier. C’est pourtant là le cœur des CMC, et il est espéré que la constitution de ce GDR permette de mettre ensemble chercheurs, développeurs et industriels autour de projets innovants dans ce domaine.
Fig. 2.I.1 - Exemple de fibres céramiques non-oxydes de type Si-B-C-N préparées à l’IRCER
Réf. : Via17a
LES CMC (Composites à Matrice Céramique)
Le concept de CMC
Fig. 1.5 - Mécanismes d’endommagement dans un CMC : a) trois familles de fissures ; b) courbe contrainte-déformation en traction ; c) densités des familles de fissures
Réf. : Gri13
LES CMC (Composites à Matrice Céramique)
Les grandes voies de fabrication
Une fois la « préforme » fibreuse constituée, il s’agit de l’enrober avec une matrice. Cette opération peut se réaliser en une ou plusieurs étapes, en ayant recours à des procédés variés :
- Procédés céramiques (slurry-cast) [Hol00]
- Procédés par voie sol-gel [Par03]
- Procédés par voie polymère précéramique [Pir18]
- Procédés par voie métal fondu (MI, RMI) [Mar16]
- Procédés par voie gaz (CVD/CVI) [Dri13,Puy17,Vig16]
Fig. 2.I.1 - Exemple de fibres céramiques non-oxydes de type Si-B-C-N préparées à l’IRCER Via17a
Il faut toutefois préciser qu’il est souvent nécessaire d’améliorer les propriétés mécaniques de ces matériaux en insérant entre les fibres et la matrice un troisième constituant, l’interphase. Ce revêtement, généralement constitué d’un matériau lamellaire type graphite ou nitrure de bore, est la plupart du temps préparé via des procédés par voie gaz tels que la CVD [Vig16]. ]. D’autres matériaux céramiques répondant à ces critères, comme les phases MAX (carbures ou nitrures ternaires lamellaires), méritent d’être explorés pour cette fonction.
Enfin, pour rendre les CMC propres à l’emploi, il faut enfin les revêtir de couches protectrices, permettant de mieux résister aux agressions thermiques et environnementales. Ce sont les EBC/TBC (Environmental Barrier Coatings, Thermal Barrier Coatings), pouvant inclure des céramiques ultra-réfractaires (UHTC : Ultra-High temperature Ceramics). Divers procédés de traitement de surface sont envisageables :