Fabrication de composites à matrice céramique par infiltration de barbotines

Les matériaux composites sont des matériaux qui sont constitués de fibres maintenues ensemble par une matrice qui les enveloppe. Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) sont constitués le plus souvent d'un assemblage de fibres et de matrice qui leur procure des propriétés mécaniques et de tenue à haute température intéressantes. Aujourd'hui, il existe plusieurs procédés de fabrication de CMC, chacun avec leur niveau de maîtrise d'un point de vue industriel, leurs avantages et leurs inconvénients propres. L'un d'eux se nomme l'infiltration de barbotine et présente déjà une bonne maîtrise du procédé. Il consiste à préparer une suspension de particules de céramique dans un fluide, appelée barbotine, et à l'injecter dans une préforme de fibres enchâssée dans un moule. Ce moule comprend un filtre qui laisse passer le fluide mais bloque les particules de céramiques, qui ainsi s'accumulent en un gâteau. En plaçant les fibres entre le point d'injection et le filtre, on fait en sorte que le gâteau se construise dans les interstices entre les fibres. La pièce ainsi obtenue est ensuite séchée et frittée. Bien que ce procédé soit assez bien connu pour des cas simples grâce à des travaux effectués précédemment (dont une partie à Polytechnique Montréal), il reste un certain nombre de zones d'ombres sur les mécanismes sous-jacents de construction du gâteau. En effet, la plupart des travaux se concentrent sur des cas ou l'injection et la filtration sont parallèles entre eux et perpendiculaires aux fibres. Ceci entraîne notamment une lacune dans les outils de simulation de la fabrication. Pour tenter de remédier à ceci, un modèle de simulation du procédé nommé « modèle Multi-1D » a été développé par Safran Ceramics puis adapté à Polytechnique Montréal. Il convient de vérifier si ce modèle produit des résultats en accord avec la réalité, et donc d'observer la construction du gâteau dans les cas plus complexes. Il est aussi pertinent de déterminer des règles de conception pour guider la conception de moules dans le futur, notamment en ce qui a trait aux stratégies de positionnement des points d'injection et de filtration dans les moules. Pour ceci, deux types de moules ont été réalisés : • Un pour la production échantillons rectangulaires, ou l'injection et la filtration peuvent se dérouler sur une autre direction que les essais mentionnés plus haut. • Un pour une pièce de géométrie typique présentant un arrondi. Sur cette pièce aussi, plusieurs configurations d'injection et de filtration ont été essayées. Un plan d'essais a été réalisé pour chacune de ces géométries. Les paramètres tels que la pression dans le moule et le volume injecté ont été enregistrés en temps réel, ce qui a permis une analyse des courbes de filtration. Ensuite, les échantillons ainsi obtenus ont été analysés en microtomographie. Les résultats des essais de moulage suivant plusieurs configurations ont permis de mettre en évidence plusieurs accords et écarts par rapport aux résultats découlant de la simulation par Multi-1D. Par exemple, la forme du front de construction réel est similaire aux résultats des simulations pour les essais rectangulaires ou l'injection est perpendiculaire à la filtration ; en revanche pour certains des essais sur la pièce présentant un arrondi, le front de construction réel présente une forme différente du front simulé. Il a également été possible de déterminer des règles de conception simples pour plusieurs cas courants lors de la conception de moules pour pièces complexes.