Étude de la cinétique de montée capillaire dans une matrice en carbure de silicium caractérisée par des défauts contrôlés

L'utilisation des composites à matrice céramique (CMC) dans le domaine aéronautique a pour but de remplacer les superalliages de nickel dans les moteurs des aéronefs. L'objectif de l'utilisation des CMC est de diminuer la masse des structures et d'augmenter la température de service des matériaux composant les turbines afin d'augmenter l'efficacité des moteurs. Les CMC possèdent une résistance mécanique élevée, une bonne tenue au fluage et une inertie chimique même lorsqu'ils sont soumis à un environnement extrême (atmosphère oxydante, température et pression élevées). L'objectif de ce projet de recherche est de comprendre comment les défauts artificiels impactent le remplissage de la céramique poreuse. Il s'agit de quantifier et de hiérarchiser les défauts par rapport à la cinétique de montée capillaire car il existe différentes échelles de porosités dans le cru de céramique. Le but est de comprendre les phénomènes qui se passent à proximité des défauts dans une matrice de carbure de silicium. Pour cela, la première étape a été de développer une méthode pour fabriquer des échantillons à défauts contrôlés (défauts sphériques et planaires). Les échantillons ont été fabriqués avec la méthode du modèle sacrificiel par l'injection de barbotine. La deuxième étape a été de caractériser les phénomènes capillaires dans ces milieux poreux bien définis afin de prédire les chemins préférentiels et d'étudier l'impact de ces défauts. La microscopie optique a permis de valider la dispersion, la géométrie et la taille des défauts. L'imprégnation des échantillons par montée capillaire a permis de caractériser le réseau poral des échantillons en calculant le diamètre effectif. Il a été montré que le remplissage des échantillons suivait, dans un premier temps, la loi de Washburn. La microtomographie a permis de visualiser la position des défauts et de montrer que les défauts ne se remplissaient pas durant l'imprégnation. Cela a permis également de visualiser la géométrie du front d'imprégnation. Le front est ogival. Ceci a révélé une inhomogénéité du réseau poral au sein des échantillons qui pourrait être due au traitement thermique subi par les crus. Le projet a permis de mettre en lumière que les défauts sphériques ne semblaient pas avoir d'impact sur le remplissage des échantillons. Par contre, les fissures longitudinales (défauts planaires) présentes dans les échantillons semblent accélérer le remplissage de la matric

Abstract

The use of ceramic matrix composites (CMCs) in aerospace is intended to replace nickel superalloys in aircraft engines. The objective of the use of CMC is to reduce the weight of the structures and to increase the service temperature of the materials composing the turbines in order to increase the efficiency of the engines. CMCs have high mechanical strength, good creep resistance and chemical inertia even when subjected to extreme environments (oxidizing atmosphere, high temperature and pressure). The objective of this research project is to understand how artificial defects impact the filling of the porous ceramic. The aim is to quantify and prioritize the defects in relation to the kinetics of capillary rise because there are different scales of porosity in the ceramic material. The goal is to understand the phenomena that occur near the defects in a silicon carbide matrix. For this, the first step was to develop a method to fabricate samples with controlled defects (spherical and planar defects). The samples were fabricated with the sacrificial method by slip injection. The second step was to characterize the capillary phenomena in these porous media in order to predict the preferential paths and to study the impact of these defects. Optical microscopy was used to validate the dispersion, geometry and size of the defects. Impregnation of the samples by capillary rise allowed to characterize the pore network of the samples by calculating the effective diameter. It was shown that the filling of the samples followed, at first, Washburn's law. The microtomography allowed to visualize the position of the defects and to show that the defects did not fill up during the impregnation. It also allowed to visualize the geometry of the impregnation front. The front is ogival. This revealed an inhomogeneity of the pore network within the samples which could be due to the heat treatment undergone by the samples. This project revealed that the spherical defects did not seem to have an impact on the filling of the samples. On the other hand, the longitudinal cracks (planar defects) in the samples seem to accelerate the filling of the matrix.