Composites Céramiques à fibres courtes

Contexte :

Les composites fibreux à matrice céramique (CMC) sont une classe de matériaux qui combinent de bonnes propriétés mécaniques spécifiques (propriétés rapportées à leur densité) à une tenue à haute température (> 1000 °C) même sous atmosphère oxydante. Ils sont généralement constitués d’un renfort fibreux carbone ou céramique et d’une matrice céramique (carbure ou oxyde). Des limites importantes pour le développement de ce type de matériaux existent. Ce sont par exemple le coût important des procédés mis en œuvre (utilisation de systèmes spécifiques : fours hautes température et/ou basse pression, …) ainsi que le coût et la disponibilité des matières de base, les renforts fibreux en particulier. Les matériaux composites combinant un renfort de fibres courtes et une matrice céramique sont une classe de matériaux innovants qui présentent a priori de nombreux avantages :

• La réduction des coûts de fabrication, en particulier par rapport au CMC à renfort constitué de fibres longues.
• L’accessibilité à des formes géométriques variées en utilisant des techniques de moulage traditionnelles par rapport aux limitations induites par les procédés de tissage.
• La mise en œuvre simplifiée par rapport à une imprégnation homogène d’un renfort à fibres longues qui s’avère difficile à maîtriser.

Ainsi, la voie des fibres courte mérite d’être évaluée sur son potentiel à répondre à des sollicitations thermomécaniques et thermiques extrêmes (allant jusqu’à l’ablation).

Objectif de la thèse :

L’objectif du sujet est de mettre au point un procédé d’élaboration de matériaux composites à matrice céramique (CMC) à renfort de fibres courtes mixant les procédés de plasturgie et de traitements thermiques de céramisation / frittage. Il s’agira de formuler des polymères chargés avec des fibres courtes et d’étudier les procédés de mise en forme puis de transformation thermique permettant l’obtention d’un CMC.
Deux voies sont envisageables et seront étudiées successivement : l’utilisation d’une résine fugitive (disparaissant à la pyrolyse) avec des charges qui seront frittées lors du traitement thermique ou l’utilisation de résines précurseurs de céramiques avec ou sans charges supplémentaires (procédé PIP).

Déroulement de la thèse :

Le(a) doctorant(e) s’intéressera à la formulation des résines chargées en fibres courtes et éventuellement en charges aptes au frittage, à leur mise en oeuvre par extrusion ou injection par exemple (avec l’appui d’études rhéologiques en lien avec la formulation) et à leur pyrolyse /céramisation. L’objectif sera d’élaborer différentes natures de CMC et d’établir des liens élaboration / microstructure / comportement pour ces matériaux relativement aux paramètres suivants :

• Microstructure des matériaux obtenus (orientation aléatoire des fibres et maitrise de la porosité en particulier)
• Propriétés mécaniques à température ambiante et si possible en température : flexion, essai de choc thermique
• Propriétés thermiques et ablatives (essai sous torche plasma de quelques matériaux d’intérêt)

DIRECTEUR DE THESE

Jean François GERARD
jean-francois.gerard@insa-lyon.fr

ECOLE DOCTORALE

ED 34 Matériaux
École Centrale de Lyon
Bât. F7
36 avenue Guy de Collongue
F-69134 ECULLY Cedex

ENCADRANT

Patrick HOURQUEBIE
patrick.hourquebie@cea.fr

CENTRE

Le Ripault
BP 16
37260 Monts
Tél. : 02-47-34-40-00