Comportement en milieu oxydant d'un composite carbone/carbone pour applications structurales entre 150 et 400c dans l'aéronautique civile

L utilisation d un composite Carbone/Carbone 2D est envisagée pour des pièces de structure, travaillant entre 150 et 400C, dans l aéronautique civile. Dans ce domaine de température, la durabilité de ces matériaux n est pas connue car ils n ont jamais été développés pour de telles applications. Une première approche a permis de corréler la réactivité chimique des constituants élémentaires (fibres et matrices) à leur état d organisation structurale. Les vieillissements réalisés sur matériau composite ont ensuite mis en évidence qu un faible taux d oxydation pouvait conduire à un abaissement significatif des propriétés mécaniques résiduelles. Les fissures et les décohésions consécutives au procédé d élaboration conduisent à une oxydation préférentielle du composé le plus réactif et à la ruine prématurée du composite par délaminage. L'évolution des propriétés de ce matériau sur de longues durées est finalement discutée afin d évaluer sa capacité à remplacer les matériaux métalliques dans des pièces aéronautiques.A 2D Carbon/Carbon composite is envisaged for structural parts, operating between 150 and 400C, in civil aircraft. In this temperature range, the durability of these materials remains unknown because they have never been developed for this kind of applications. A first approach allowed us to correlate the chemical reactivity of the elemental constituents (fiber and matrix) to their structural organization. Then, thermal ageing tests performed on the composite material have demonstrated that a low rate of oxidation could be responsible to a significant reduction of residual mechanical properties. Cracks and fiber/matrix debonding resulting to the elaboration process create an extended pathway to a preferential oxidation of the most reactive compound. This latter is followed by a premature failure by delamination. The reduction of the material properties over long periods is finally discussed in order to evaluate its ability to replace metallic materials in aircraft structural parts.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Mise au point d'un procédé d'élaboration rapide de composites Carbone/Carbone haute densité

Les composites Carbone/Carbone haute densité sont généralement obtenus par voie gazeuse ou liquide (sous une pression de pyrolyse de 100 MPa), suivant des procédés contraignants. L imprégnation de préformes fibreuses par des brais liquéfiés, sous une pression limitée à 10 MPa, permettrait de réduire certaines contraintes d élaboration à condition de trouver des procédés pour améliorer les rendements de densification. La solution proposée dans le cadre de cette thèse est d augmenter fortement la densité en une première étape, grâce à des techniques de densification moins classiques. Une étude bibliographique approfondie a permis de déterminer les caractéristiques importantes des brais, les différents paramètres influençant les densifications par voie liquide et des techniques de pré-densification. La cohérence entre les résultats de plusieurs techniques de caractérisation des brais, est mise en évidence lors du suivi expérimental de l évolution de divers brais vers un carbone graphitique, sous pression modérée. Cette étude expérimentale concernant les précurseurs de matrice aboutit à la sélection d un brai remplaçant au brai de référence A240 et au choix des paramètres du protocole de pyrolyse sous pression modérée. L influence du réseau poreux de la préforme sur le comportement du brai pendant la densification est soulignée en comparant les rendements de densification dans une préforme 3D orthogonale et dans une préforme aiguilletée. L intérêt des densifications mixtes (avec caléfaction, imprégnation de poudres ou de brai mésophasique) est jugé par rapport à la densité et à la microstructure des composites obtenus. Les procédés originaux de densification hybride réalisés sur les préformes aiguilletées se révèlent efficaces, puisqu une densité apparente supérieure à 1,80 et une porosité inférieure à 15% est atteinte après quatre cycles de densification par du brai isotrope. Des mesures thermiques sur les composites C/C obtenus illustrent la relation entre microstructure et conductivité thermique. Il semble ainsi possible de moduler les propriétés macroscopiques des composites C/C grâce à l utilisation de procédés permettant d élaborer des composites C/C à matrices carbonées mixtes.High density Carbon/Carbon composites are usually prepared by chemical vapor impregnation or by liquid pitch impregnation under high pressure (100 MPa). As these processes are complex and costly, an alternative moderate pressure (P < 10 MPa) impregnation process may be attractive, provided the densification yield is strongly improved. This doctoral work proposes an original process, including a pre-densification step, which leads to a significant increase of the C/C composite final density. Essential characteristics of pitches, various parameters influencing liquid pitch densification and processes for the pre-densification step are determined from bibliographical study. Consistent changes of the different physico-chemical characteristics are observed throughout the evolution of pitches to graphitic carbon, under moderate pressure. This experimental study on matrix precursors leads to the selection of a particular pitch as substitute of A240 pitch and to the determination of a specific pyrolysis procedure under moderate pressure. Influence of porous network in preforms on the pitch behaviour during densification is outlined by the comparison of densification yields in both an orthogonal 3D preform and a needled preform. Hybrid densification processes (with film-boiling process, powder impregnation, mesophasic pitch impregnation) are evaluated through the final density and the microstructure of elaborated composites. High density C/C composites, with an apparent density higher than 1.80 g.cm-3 and an open porosity lower than 15%, have been prepared from a pre-densified needled preform, after four densification cycles with liquid isotropic pitch, under moderate pressure. Thermal properties measurements on these C/C composites confirm the strong relationship between microstructure and thermal conductivity. It seems possible to tailor the macroscopic properties of C/C composites, thanks to hybrid carbonaceous matrices.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Amélioration de la durée de vie du matériau C/MAC consolidé par voie liquide

Le travail mené concerne l'étude d'un procédé de consolidation par voie liquide d'une préforme carbone avant densification par voie gazeuse. Le matériau à optimiser est obtenu par un procédé hybride voie liquide / voie gazeuse. Ses propriétés actuelles de durée de vie sont abaissées par rapport aux critères de référence. L'étude du lien structure - propriétés mécaniques de préformes consolidées par des précurseurs de carbone et de céramique a permis le développement de nouveaux procédés et la mise au point de matériau performant. Les procédés mixtes "Bi-Matrice" et "Mélange" permettent de combiner les propriétés de rigidité et d'infiltrabilité que présente chacun des précurseurs. L'accent est mis sur le contrôle de la disposition intra-fil de la phase céramique et la localisation préférentiellement inter-fils de la phase carbone. La durée de vie des matériaux Bi-Matrice à 600C et 1200C sous atmosphère oxydante est améliorée (~-100 h) par rapport au matériau de référence (<=10 h). La bonne densification CVI intrafil de la préforme consolidée Bi-Matrice permet de protéger convenablement les fibres pendant les phases transitoires de cicatrisation de la matrice. Il est souligné l'intérêt de la présence de carbone inter-fil en tant que limiteur d'oxydation par pompage d'oxygène.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Synthèse de matrice CMC par nitridation de TiSi2

International audienc

Cinétique de nitruration isotherme de poudres de TiSi2

International audienceThe aim the present work is to determine the reaction kinetics between a TiSi 2 powder with gaseous nitrogen. Isothermal nitridation of TiSi 2 powders with fine (1.4µm) and medium (4.5µm) particle size has been studied in pure nitrogen atmosphere ranging from 1000 to 1200°C for duration up to 50 hours. The isothermal nitridation kinetics of TiSi 2 powders were investigated by thermogravimetry. The nitridation rate strongly depends on the particle size and temperature. The smaller particle size exhibits the higher nitridation rate due to its larger surface area. The conversion process is complex with nucleation and growth of TiN at the surface of the grain and Si 3 N 4 inside the grain promoted by Kirkendall effect with an influence of the volume increase.Le but de ce travail est de déterminer la cinétique de réaction d'une poudre de TiSi2 avec de l'azote gazeux. La nitruration isotherme de poudres de TiSi2 d'une granulométries fine (1.4μm) et moyenne (4.5μm) a été étudiée dans une atmosphère d'azote pur entre 1000 et 1200°C pendant une durée allant jusqu'à 50 heures. La cinétique isotherme de nitruration de poudres de TiSi2 ont été étudiés par thermogravimétrie. Le taux de nitruration dépend fortement de la taille des particules et de la température. Les particules les plus petites présentent le taux de nitruration le plus grand en raison de leur plus grande surface. Le processus de conversion est complexe et met en oeuvre la nucléation et la croissance de TiN à la surface des grains et de Si3N4 à l'intérieur du grain, ce comportement est favorisé l'effet Kirkendall avec une influence sur le gain de volume

Oxidation behavior of PAN-based carbon fibers and the effect on mechanical properties

PAN-based carbon fibers were oxidized both in dry air and wet air in the temperature range of 400-600 °C. Kinetic laws are established that follow an Arrhenius-type temperature dependence. Oxidised fiber surfaces were investigated by SEM and AFM. Oxidation leads to the modification of surface morphology with the disappearance of the axial striations initially present. Then, residual properties were evaluated by failure tests in tension on single-filaments. Oxidation has a dramatic effect even for a low level of weight loss. The tensile failure stresses are reduced by 25-40 % for a mass loss of 2.5-5 %. This excessive embrittlement is more related to the creation of new defects by oxidation than a significant reduction in fiber cross-section area

An innovative approach for on-demand hydrogen generation, application to the preparation of kraft black liquor foams

A safe, cheap and straightforward on-demand hydrogen generation method has been developed using a polymethylhydrosiloxane (PMHS) emulsion as a hydride donor in a highly alkaline solution without the need of any other harmful catalyst. This system was used as a chemical blowing agent in the preparation of kraft black liquor foams

Ionic liquids to monitor the nano-structuration and the surface functionalization of material electrodes: a proof of concept applied to cobalt oxyhydroxide

This paper reports on an innovative and efficient approach based on the use of ionic liquids to govern the nano-structuration of HCoO2, in order to optimize the porosity and enhance the ionic diffusion through the electrode materials. In this work, we show that (1-pentyl-3-methyl-imidazolium bromide (PMIMBr) and 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMIMBF4)) ionic liquids (ILs) used as templates during the synthesis orientate the nanoparticle aggregation which leads to increase of the porosity and the average pore size of the electrode material. It is also demonstrated that the ILs are strongly bonded to the HCoO2 surface, leading to surface functionalized HCoO2 materials, also called nanohybrids. This surface tailoring stabilizes the material upon cycling and shifts the oxidation potential linked to the Co(III)/Co(IV) redox couple to lower voltage in an alkaline 5 M KOH electrolyte. The surface and porosity optimizations facilitate the ionic diffusion through the material, improve the electron transfer ability within the electrode and lead to greatly enhanced specific capacity in both alkaline 5 M-KOH and neutral 0.5 M-K2SO4 aqueous electrolytes (66.7 mA h g−1 and 47.5 mA h g−1 respectively for HCoO2–PMIMBr and HCoO2–EMIMBF4 compared to 18.1 mA h g−1 for bare HCoO2 in 5 M-KOH at 1 A g−1).Laboratory of excellency for electrochemical energy storag

Low temperature hydrothermal sintering process for the quasi -complete densification of nanometric α-quartz

We report the first successful densification of polycrystalline α-quartz. The innovative hydrothermal sintering process was used as a low temperature route on sol-gel silica nanoparticles (350 MPa, 300 °C, 90 min) in presence of water or aqueous sodium hydroxide solution (from 0.2 M up to 5 M). For the lowest NaOH concentrations, amorphous silica densification is observed, reaching a compactness of 86%. The basic physical-chemical mechanism proceeds through dissolution-precipitation. When NaOH concentration increases, the kinetics of dissolution are faster, nanoparticles totally dissolve and α-quartz is stabilized during precipitation. 98% dense α-quartz is obtained, the crystallite size increases with NaOH concentration

Manufacturing of ceramic matrix composite using a hybrid process combining TiSi2 active filler infiltration and preceramic impregnation and pyrolysis

International audienceThe manufacturing of silicon carbide reinforced ceramic matrix composites by a hybrid process is explored. Fibre preforms are infiltrated with TiSi 2 powders using the slurry method. Using TiSi 2 active filler leads to reduce the porosity by the subsequent formation of nitride phases after treatment under N 2 atmosphere at low temperatures (≤ 1100°C). Taking into account the influence of the specific surface area of the powder on the nitridation rate, it is shown that it is possible to produce nitrides TiN and Si 3 N 4 at 1100°C with an interesting volume expansion inside the composite. To complete the densification of the composite, a polymer impregnation and pyrolysis (PIP) process are performed with a liquid polymeric precursor. Characterizations of the composites show that mechanical properties are improved with the presence of the TiN and Si 3 N 4 phases, and the number of PIP cycles