Composite à matrice métallique et céramique

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC
RAPPORT DE PROJET
À
L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
COMME EXIGENCE PARTIELLE
À L’OBTENTION DU COURS
SYS862B
PAR
DAVID BARRY
SCOTT MORIN
VICTOR NAEGELIN
Composite à matrice métallique et céramique
Sommaire
Les composites à matrice métallique et céramique sont des matériaux peu connus. Pourtant, les
applications sont multiples. On les retrouve surtout dans l'industrie de l’aérospatial, de
l’aéronautique et de l’automobile.
Un composite à matrice métallique (CMM) est un mélange d'un métal avec un renfort qui est
sous forme de particules, de filaments, de fibres courtes ou de fibres continues. Ce renfort
permet au métal d’avoir de meilleures propriétés surtout au niveau de la rigidité. Aussi, un
CMM comporte une meilleure résistance thermique et un coefficient d’expansion thermique
plus petit par rapport à la matrice simple. Les matrices les plus utilisées sont celles en
aluminium ou en titane. Pour les renforts, les siliciums de carbure (SiC) et les alumines (Al2O3 )
sont les plus communs. Les procédés de mise en forme sont surtout faits avec le coulage de
métal en fusion vers une préforme. Sinon, la métallurgie des poudres est utilisée. Au niveau des
applications, les CMM sont utilisés pour les fuselages des navettes spatiales, pour les moteurs
de voiture ou pour des articles de sport.
Pour les composites à matrice céramique CMC, le matériau est utilisé pour des applications à
très haute résistance. Les céramiques sont des matériaux fragiles. Avec les CMC, les renforts
permettent d'avoir un matériau plus ductile. Les matrices les plus utilisées sont composées de
carbone, de silicium de carbure (SiC), d'alumine ou de verre. Pour les renforts, les fibres de
carbones ou encore les fibres de silicium de carbure sont les plus utilisées. Pour les procédés de
fabrication des composites, la métallurgie des poudres est aussi utilisée. Sinon les procédés se
font par infiltration des constituants de la matrice ou par oxydation. La méthode par infiltration
de polymère et pyrolyse est utilisée pour produire les fameuses tuiles du bouclier thermique de
la navette spatiale. Les applications des CMC sont entre autres pour les disques de freinage
d'avion et de voiture.
Mots clés : CMM, CMC
i
Table des matières
1.
INTRODUCTION ................................................................................................................................................................. 1
2.
ORIGINES ET HISTOIRE .................................................................................................................................................. 2
3.
COMPOSITES À MATRICE MÉTALLIQUE ................................................................................................................... 3
4.
3.1.
CARACTÉRISTIQUE DES COMPOSITES À MATRICE MÉTALLIQUE (CMM) ................................................................................. 3
3.2.
AVANTAGES ET DÉSAVANTAGES .................................................................................................................................................... 4
3.3.
PROCÉDÉS DE MISES EN SOLUTIONS DES CMM ........................................................................................................................... 5
3.3.1.
Procédés en phase liquide .............................................................................................................................................. 5
3.3.2.
Procédés à phase solide ................................................................................................................................................... 7
3.4.
FIBRES CONTINUES ........................................................................................................................................................................... 7
3.5.
MATRICES DE TITANE ...................................................................................................................................................................... 8
3.6.
LES LAMINÉS DE FIBRES ET DE MÉTAL .......................................................................................................................................... 8
3.7.
APPLICATIONS ................................................................................................................................................................................... 9
3.7.1.
Glare ....................................................................................................................................................................................... 9
3.7.2.
Pièces automobiles ......................................................................................................................................................... 10
3.7.3.
Équipement de sport ..................................................................................................................................................... 11
COMPOSITES À MATRICE CÉRAMIQUE (CMC) ..................................................................................................... 11
4.1.
AVANTAGES ET DÉSAVANTAGES .................................................................................................................................................. 13
4.2.
PROCÉDÉ DE MISE EN FORME CMC ............................................................................................................................................ 14
4.2.1.
Procédé des poudres ...................................................................................................................................................... 14
4.2.2.
« Slurry infiltration and consolation » ................................................................................................................... 14
4.2.3.
Infiltration de polymères et pyrolyse ...................................................................................................................... 15
4.2.4.
Autres procédé ................................................................................................................................................................. 15
4.3.
APPLICATIONS ................................................................................................................................................................................ 16
4.3.1.
Frein en fibre céramique ............................................................................................................................................. 16
4.3.2.
Navette spatiale .............................................................................................................................................................. 16
4.3.3.
Outils de coupe ................................................................................................................................................................. 17
5.
CONCLUSION.................................................................................................................................................................... 18
6.
RÉFÉRENCES .................................................................................................................................................................... 19
ANNEXE A-LISTE DES COMPOSANTES......................................................................... ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
Liste de figures
Figure 1-Bouclier thermique de la capsule Gemini ..................................................................... 2
Figure 2- Vue de coupe d'un composite à matrice métallique à mono filament ....................... 3
Figure 3-Schéma de « Stir casting » ............................................................................................ 5
Figure 4- Schéma de « Squeeze Casting » [6] ............................................................................. 6
Figure 5-Schéma de plis de Glare ................................................................................................ 9
Figure 6-Impact sur un laminé de Glare [7] ................................................................................ 9
Figure 7-Matériaux du Airbus A380 .......................................................................................... 10
Figure 8- Bloc moteur et pièces automobiles CMM ................................................................. 10
Figure 9-Vélo de montagne CMM ............................................................................................. 11
Figure 10- Graphique de comparaison Céramique et CMC ...................................................... 12
Figure 11- Métallurgie des poudres avec moule par injection ................................................. 14
Figure 12-Procédé par infiltration polymère et pyrolyse[9] ..................................................... 15
Figure 13- Disques de frein en CMC .......................................................................................... 16
Figure 14- Bouclier thermique et bord d'attaque de la navette spatial [5].............................. 17
Figure 15-Usinage compresseur et outils de coupes CMC ....................................................... 18
1. Introduction
Les composites à matrice métallique et céramique sont des matériaux hautement technologiques
avec des applications très spécifiques. Malgré leur coût et leur complexité de mise en forme, ils sont
modérément utilisés dans l'industrie automobile et aéronautique. Depuis quelques décennies, les
matériaux composites sont reconnus pour leurs excellentes propriétés. Les plus populaires sont les
composites à matrice polymères pour leur rapport poids-résistance et leurs procédés qui
commencent à être bien maîtrisés. Le problème avec ce composite est que la matrice de polymère
est limitée, par exemple, par leur résistance à la chaleur ou encore leur résistance aux impacts. Par ce
fait, les composites à d'autres types de matrices sont utilisés à des usages spécifiques tout en ayant
des avantages, comme le poids, par rapport à des matériaux non composites. Ce rapport permettra
de répondre à la question sur ce que sont les composites à matrice métallique et céramique. Les
sujets suivants seront couverts : les origines et l'histoire des composites céramique et métallique, les
différents types et leurs caractéristiques, les procédés de mise en forme et les applications.
1
2. Origines et Histoire
Figure 1-Bouclier thermique de la capsule Gemini
En 1957, le lancement du satellite russe Spoutnik amorcera la course vers l'espace entre les ÉtatsUnis et la Russie. Avec la problématique de chaleur durant l’entrée dans l'atmosphère d'un véhicule
spatial, les scientifiques ont effectué des recherches sur des matériaux résistants à de hautes
températures. Ceci permettra de découvrir des matériaux plus légers, plus résistants et avec un
coefficient d'expansion thermique plus faible. D’abord, la recherche a été orientée vers des
matériaux composites qui intègrent des fibres dans une matrice. Les composites à matrice métallique
ont vu le jour lorsque les fibres, comme le silicium de carbure, ont été développées. Ces fibres,
pouvant être mises en solution dans le métal, permettront de diminuer le coefficient d’expansion
thermique et augmenter la rigidité du métal. Avec l’évolution des avions et véhicules spatiaux, cette
technologie de fibre a permis d’être utilisé à des applications à haute température telle que les
réacteurs de fusée telle moteurs d’avion. Avec l’objectif de construire une navette spatiale qui puisse
être réutilisable pour plusieurs voyages dans l’espace, des pièces en composite à matrice métallique
ont été intégrées au fuselage de la navette spatiale. Dans la même optique de pouvoir entrer dans
l'atmosphère, des pièces composites à matrice céramiques (CMC) ont été développées pour la
2
navette spatiale pour son bouclier thermique. En combinant un renfort dans une céramique, un
matériau plus ductile, donc moins cassant, plus léger et toujours aussi résistant à la chaleur est créé.
Ensuite, les CMC se retrouvent aussi dans les freins d'avion et dans les moteurs de voiture. Aussi, des
composites à matrice métallique ont été développés pour l'industrie de l'automobile permettant
d'avoir des pièces plus adéquates pour certaines applications comme les freins ou bien les cylindres
de moteur. Avec l'évolution de la compréhension des matériaux composites, les usages se sont
multipliés. [2]
3. Composites à matrice métallique
3.1. Caractéristique des composites à matrice métallique (CMM)
Lorsqu'on parle de composite à matrice métallique, il s'agit d'une matrice métallique dans lequel on
insère des fibres, des particules ou encore des filaments qu'on appelle trichite (« Whiskers »). [3]
Pour les fibres, il y a des fibres courtes et des fibres continues mono filament ou multi filaments. La
composition des fibres et des matrices varie d'un composite à l'autre et dépend surtout de
l’application et du budget. Les premiers composites CMM étaient ceux avec une matrice à base
d'aluminium. La figure 2 est une vue de coupe qui permet d'observer la disposition des fibres dans la
matrice métallique. La figure de droite illustre une des fibres à mono filament, le cœur en noir est le
carbure de silicium entouré de bore.
Figure 2- Vue de coupe d'un composite à matrice métallique à mono filament
3
Les fibres, composants de 15%à 25% du volume du composite, sont généralement composées de
carbure de silicium (SiC) ou d'alumine. En comparaison avec la matrice pure, ce type de composite
améliore certaines propriétés telles que la résistance maximale, la rigidité spécifique, la résistance à
haute température et réduit le coefficient d'expansion thermique. Par contre, le matériau absorbe
moins d'énergie à la déformation, donc il est relativement fragilisé.Un désavantage important est que
les procédés de transformation et de mise en forme sont plus couteux que ceux des polymères ou
encore ceux des métaux simples. Par ce fait, on retrouve peu d'applications utilisant des fibres
discontinuent et presque aucune utilisant des fibres. [1]
3.2. Avantages et Désavantages
Comme il a été mentionné, les CMM utilisent un métal ductile, relativement résistant et rigide avec
des renforts souvent sous forme de fibres. Or, des avantages et des désavantages sont notables par
rapport à la matrice pure et aux composites à matrice polymérique. Les avantages et inconvénients,
présentés ci-dessous, sont la raison de leur utilisation spécifique. [8]
Avantages :






Rigidité
Résistance à la traction
Résistance thermique
Résistance fatigue
Résistance Impact
Aucune moisissure
Inconvénients :




Coût de fabrication
Matériau peu connu
Difficile à former
Problème de corrosion
4
3.3. Procédés de mises en solutions des CMM
Pour les composites à matrice métallique, on distingue deux types de mise en solution : celui à l'état
solide et celui à l'état liquide.
3.3.1. Procédés en phase liquide
Le procédé appelé « Stir casting » est fait sous vide et mélange mécaniquement les fibres courtes ou
les particules à la matrice. La mouillabilité des renforts est importante dans ce mélange, car une
bonne adhérence entre la matrice et les renforts est essentielle pour l’obtention de propriétés
intéressante, une pièce homogène et éviter la création de porosités. Les paramètres importants à
contrôler pour ce procédé, dont la viscosité du mélange et la pression appliquée. La figure 3 illustre le
schéma de ce procédé avec le métal en fusion, le renforcement injecté et le bras du mélangeur.
Figure 3-Schéma de « Stir casting »
Le « Slurry casting » est similaire au procédé précédent sauf que le mélange est près de la
température de fusion en ayant 50% du volume du mélange à l’état solide. Un mélangeur est utilisé
5
pour homogénéiser le mélange et pour faire varier la viscosité. Le but de ce procédé est d'aider à
l'homogénéiser et de diminuer les amas de particules.
Une autre méthode, pour les CMM, est le « Squeeze Casting » qui applique une pression importante
sur le métal en fusion afin de réduire les porosités. Le métal est pressurisé vers une préforme de
fibres continue ou discontinue. La figure 4 illustre le procédé qui utilise une presse pour faire migrer
le métal en fusion dans la préforme de fibre. Ce procédé est connu comme étant le plus économique.
Par contre, la fabrication de la préforme comporte ses complexités.
Figure 4- Schéma de « Squeeze Casting » [6]
Une variation de ce procédé, soit le« Pressure infiltration Casting (PIC) », utilise un gaz pour générer
une pression sur la matrice. La déposition de métal en fusion, « spray déposition », est aussi une
méthode pour mettre en solution le renfort dans la matrice. Le métal en fusion est projeté, à l’aide
d’un gaz, par trous, ayant un diamètre d’autour 300 microns, sur un moule en introduisant des
particules dans le mélange. Ce procédé produit une pièce très poreuse avec une microstructure très
fine. Les procédés énumérés sont généralement très dispendieux et produisent un taux de perte
important puisqu’ils ne sont pas bien compris.
6
3.3.2. Procédés à phase solide
La métallurgie des poudres s’applique, à la fois, à la poudre métallique et à la poudre céramique. Le
mélange qui contient un agent liant est consolidé à l’aide d’une pression et température élevée.Le
procédé ne produit pas de métal en fusion, mais il se limite à des pièces de petites tailles pour des
raisons de taille de presse. Le procédé permet d’obtenir des pièces avec une bonne homogénéité et
faible en porosité. Par contre, l’utilisation de poudre rend cette méthode assez laborieuse, couteuse
et présente un danger important pour la santé des humaines.
Au niveau de la mise en forme, il existe quelques procédés. L'extrusion est utilisée qui permet
d'aligner les fibres, mais peut aussi les fracturer. Le forgeage ou le laminage n'est pas utilisé pour les
CMM par le fait qu'ils sont trop fragiles. Pour l'usinage, il est plus difficile qu'un simple métal donc
des outils avec une plus grande dureté sont nécessaires.
3.4. Fibres continues
Initialement, le bore se retrouvait dans des composites à matrice polymérique. Puisqu’il est un
renfort très intéressant, il s’est retrouvé, par la suite, dans une matrice d'aluminium et pour des
raisons de résistance thermique, dans une matrice de titane. Le mono filament de bore avec cœur en
carbure de silicium ou de tungstène est commun. Une des rares applications est celle sur la structure
du fuselage de la navette spatiale. Sinon cette technologie est surtout utilisée pour les avions
hypersoniques et les moteurs d'avion. Encore une fois, les coûts prohibitifs limitent l’utilisation.
La méthode de fabrication utilisée empile des couches à épaisseur constante. Par après, ces
épaisseurs sont liées ensemble avec une certaine orientation pour composer un laminé. Il existe
plusieurs méthodes de générer une feuille de ce composite. La méthode la plus utilisée est avec
l'utilisation d'un cylindre où on enroule la fibre et ensuite on applique une feuille d'aluminium. Le
tout est pressé à chaud sous vide. Aussi, plutôt que de chauffer, le plasma est utilisé pour insérer les
fibres dans l'aluminium. Par contre, le bore a une tendance à se dégrader lorsqu’il est en contact avec
l’aluminium en fusion. Une deuxième génération CCM à fibres continues, utilisant des fibres de
7
carbure de silicium (SiC), a été développée pour pallier aux limites du bore. L’utilisation des SiC
permet d’améliorer la résistance et la rigidité en conservant les propriétés à haute température.
Finalement, le composite graphite/aluminium offre une plus grande rigidité que l'acier pour le tiers
de sa densité. Il est aussi moins cher que le bore ou le SiC. Par contre, des problèmes de corrosion
galvanique limitent son utilisation. Finalement, la mise en forme des composites graphite/aluminium
est difficile due à la réactivité des deux composés. [1]
3.5. Matrices de Titane
Le titane se retrouve dans plusieurs applications pour ses propriétés spécifiques et sa résistance aux
hautes températures, en comparaison avec l’aluminium. Le matériau seul est connu pour sa rigidité,
résistance et sa faible densité. Il est connu aussi pour son prix qui est assez élevé. La façon d'intégrer
les fibres dans une couche est de disposer de fibre et de feuilles de titane dans un outillage. Le tout
est couvert par une cloison métallique pour exercer une pression. Le titane à l'état liquide est pressé
vers une préforme en fibre. Ensuite pour joindre les différentes couches, un assemblage de feuilles
est mis sous pression à haute température pour consolider le laminé. [1]
3.6. Les laminés de fibres et de métal
Plus connu sous le nom GLARE, le laminé de fibre de verre/époxy et de feuilles d'aluminium est
considéré comme un composite à matrice métallique.
Le GLARE est un collage de laminés
fibre/époxy avec des feuilles d'aluminium. Surtout utilisé pour sa résistance à la fatigue, à la
propagation de fissure et à son poids plus léger que l'aluminium. Il coûte moins cher que la fibre de
carbone, mais plus cher que l'aluminium simple. Le fait d'avoir développé un procédé de formage
pour des pièces courbées a permis de diminuer les coûts de production par rapport à l'aluminium.
8
Figure 5-Schéma de plis de Glare
Figure 6-Impact sur un laminé de Glare [7]
3.7. Applications
3.7.1. Glare
Comme expliqué plus haut, le Glare est un composé de fibre de verre et d'aluminium. Ce matériau est
principalement connu pour son utilisation sur l’Airbus A380. Comme l'illustre la figure 5, le Glare est
utilisé pour des sections de fuselage et pour des bords d'attaques d'empennages. Ce matériau est
utilisé pour ces propriétés en fatigue par rapport à de l'aluminium standard. Aussi, il est plus résistant
aux impacts ce qui explique sa présence au niveau des bords d'attaque.
9
Figure 7-Matériaux du Airbus A380
3.7.2. Pièces automobiles
Certaines composantes d’automobiles, figure 6, sont fabriquées de matériaux composites à matrice
céramique. Une application connue est celle des pistons moteurs qui sont soumis à des chaleurs
intenses. Or, les CMM permettent de diminuer l'expansion thermique et mieux résister à la chaleur
qu'un simple aluminium de fonderie. Ensuite, il y a les disques de frein en composite, souvent
contenant de l’aluminium. Lors du freinage, les freins sont chauffés et donc doivent résister autant à
la chaleur qu’au frottement. Le composite permet d'alléger le poids du disque. Par contre ici, les
pièces sont surtout faites avec des renforts à particule et non à fibre continue. [4]
Figure 8- Bloc moteur et pièces automobiles CMM
10
3.7.3. Équipement de sport
Les fabricants de vélos de hautes performances des années 1990 utilisaient la technologie des
composites à matrice métallique. Le but était de diminuer le poids par rapport à l'aluminium. Par
contre, le matériau a rapidement perdu en popularité et a été remplacé par les composites à base de
polymère. Et puis les vélos n'ont pas besoin de résister à des contraintes thermiques.
Figure 9-Vélo de montagne CMM
4. Composites à matrice céramique (CMC)
Les céramiques sont utilisées principalement pour des applications demandant une résistance
thermique extrême ou encore demandant une grande rigidité ou dureté. Les céramiques sont des
matériaux fragiles. L’ajout de renfort dans une matrice céramique peut produire un composite plus
ductile pouvant absorber plus d'énergie mécanique. La figure 7compare le comportement d’un
composite à matrice céramique avec la matrice pure. L'ajout du renfort augmente la ductilité, mais
réduit la contrainte à la rupture. La rigidité, au départ, est la même, mais après un certain point, le
composite se déforme plastiquement grâce à sa ductilité. Avec les CMM, l'objectif est d'augmenter la
rigidité du matériau. Or avec les CMC, l'objectif est d'obtenir un matériau plus ductile, donc d'une
certaine façon à l'inverse des CMM.
11
Figure 10- Graphique de comparaison Céramique et CMC
La particularité de ce composite est d'avoir une interface avec une faible interaction entre la fibre et
la matrice. Si le lien entre la fibre et la matrice est trop grand, le matériau ne pourra pas absorber
d'énergie et les fissures se propageront rapidement. Les renforcements des matrices céramiques
peuvent être des fibres longues ou courtes, des particules ou des filaments trichite (« Whiskers »).
Les mêmes formes de renfort que les CMM sont utilisées avec les CMC. Le silicium de carbure SiC et
l'alumine Al2O3 sont les renforcements les plus utilisés. On retrouve d'autres sortes de fibre comme
les fibres de carbones (C) et les fibres de Mullite (3Al2O3-2SiO2). Parmi ces différents types de fibre,
certaines comportent des oxydes ce qui les empêche de s’oxyder à haute température. Par contre,
les fibres avec oxyde ont de moins bonnes performances à haute température donc, le bore est
ajouté pour aider aux propriétés à haute température. Les mono filaments de SiC et de Carbone (C)
s'oxyde à haute température, donc doivent avoir un revêtement comme du verre. Le revêtement
permet d’isoler les oxydes présents de l'environnement. Bref, les fibres sans oxydes ont un problème
d'oxydation, et les fibres avec oxydes ont une faible résistance au fluage. [1]
Du côté des matrices, on retrouve des constituants similaires à celle des renforts. Il y a les matrices
avec oxydes : alumine, mullite, zirconia. Comme pour les fibres, les propriétés de ces matrices sont
mauvaises à haute température. Par contre, elles ne s'oxydent pas à haute température. Ensuite, il y
a des matrices sans oxyde comme le graphite, le silicium de carbure et le silicium de nitrite. Encore
une fois, ils sont sensibles à l'oxydation. Pour pallier à ce problème, des inhibiteurs sont insérés dans
la matrice. Après, il y a des matrices en verre céramique qui sont formé par une combinaison de ces
12
constituants : Li2O, Al2O3, SiO2 et MgO. Ces matrices permettent une température de fusion plus
basse que les autres céramiques. Ceci permet une fabrication plus facile, mais d'un autre côté leur
résistance thermique est moins grande.
Pour le choix de la matrice et du renforcement, il faut regarder le coefficient thermique des deux
constituants. Le mieux est d'avoir un coefficient d'expansion thermique similaire. Aussi, il faut
s'assurer que la compatibilité chimique entre la matrice, les revêtements et les renforts
Au niveau des composites céramiques les plus connus, il y a le carbone/carbone qui est composé de
fibre de carbone et de graphite. Ce composite est fait pour résister à des températures à plus de
4000°F. Il est largement utilisé dans l'aéronautique et l'automobile. Sinon, il y a d'autres composites
comme le SiC/SiC, le C/SiC ou encore Al2O3/Al2O3. [1]
4.1. Avantages et désavantages
Avantages







Conduction thermique
Résistance choc thermique
Rigidité
Poids diminué
Ductilité
Résistance à la cassure
Aucune moisissure
Désavantages



Cout de fabrication
Matériau peu connu
Conduction électrique
13
4.2. Procédé de mise en forme CMC
4.2.1. Procédé des poudres
Pour les renforcements discontinus, il y a des renforts en forme de particules ou de filaments. Le
procédé est le même que celui des composites métalliques, c’est-à-dire d’introduire des poudres
dans un moule pour presser le mélange à une température. La différence ici est qu’on obtient un
corps (Green Body) avant que le matériau soit consolidé. Avec ce corps, on le machine pour le mettre
à la forme voulue. Ensuite, on le consolide et on le densifie les matériaux à haute température et
haute pression. Les outils de coupe en céramique sont généralement formés de cette façon. Comme
mentionné plus haut, le procédé est couteux, long et parfois dangereux. La figure 8 représente
l’utilisation de la métallurgie des poudres avec du moulage par injection avec le corps avant la
consolidation.
Figure 11- Métallurgie des poudres avec moule par injection
4.2.2. « Slurry infiltration and consolation »
Le plus utilisé pour les céramiques en verre, le procédé est effectué à plus basse température. La
fibre est trempée dans un contenant de matrice liquide. La fibre imprégnée est ensuite enroulée sur
un cylindre pour ensuite donner une feuille. Les feuilles sont découpées aux bonnes dimensions.
Ensuite, un empilement de feuilles est envoyé dans un four ventilé pour enlever les liants organiques.
14
Pour finir, le laminé est pressé à haute température. Le désavantage de ce procédé est qu'il
s’applique seulement à des matériaux ayant un point de fusion faible.
4.2.3. Infiltration de polymères et pyrolyse
Cette méthode comprend plusieurs étapes. La première étape consiste à infiltrer un polymère dans
une préforme de fibre. Le polymère doit se transformer en céramique lors de la pyrolyse. Donc, un
cycle à répétition de pyrolyse et d’infiltration de polymère est effectué jusqu’à ce que la densité
voulue soit obtenue. Par après, un traitement thermique est fait et des revêtements sont ajoutés
pour limiter l’oxydation. [9]
Figure 12-Procédé par infiltration polymère et pyrolyse[9]
4.2.4. Autres procédés
« Chemical vapor Infiltration », « Directed Metal Oxidation », « Liquid silicon infiltration »
15
4.3. Applications
4.3.1. Frein en fibre céramique
La performance des freins est surtout reliée à la résistance à la chaleur. Or, les freins en CMC
permettent d'atteindre une grande température sans perdre de force de freinage. De plus, les
disques de frein sont soumis à certaines charges et vibrations qui ne permettront pas d'avoir
seulement un matériau céramique fragile. De plus, le poids est beaucoup diminué par rapport à des
disques métalliques. Les avions de nos jours ont besoin d'avoir des freins efficaces en cas de
décollage avorté ou encore à l'atterrissage. La figure illustre des disques disposés sur un train
d'atterrissage. Depuis plusieurs années, la plupart des avions sont équipés de frein carbone/carbone
céramique. Plus récemment, les voitures de course et voiture de course comportent des disques en
composites céramiques. La figure 10 présente un disque de voiture en CMC. Par contre, il faut
comprendre que la technologie est encore hors de prix et peu nécessaire pour une voiture normale.
Figure 13- Disques de frein en CMC
4.3.2. Navette spatiale
La navette spatiale est une des applications qui a mené au développement de ce type de matériaux.
Comme mentionnée, la navette subit de fortes charges thermiques lors de l’entrée dans
l'atmosphère. Le bouclier thermique de la navette est constitué de plaques de carbone/carbone. Ces
plaques sont fabriquées par le processus d'infiltration de polymère et de pyrolyse. Le procédé est
16
complexe par le fait que des revêtements sont appliqués. La même chose est appliquée aux bords
d'attaque de la navette. La figure 11 présente le bouclier thermique de la navette et le résultat d’un
test d’impact sur le bord d’attaque. L'exemple du bord d'attaque est intéressant puisque le matériau
doit protéger l'aile de la chaleur, mais aussi des impacts. Donc, le bord d'attaque se doit de pouvoir
absorber une certaine énergie pour l’éventuelle collision d'un débris.
Figure 14- Bouclier thermique et bord d'attaque de la navette spatial [5]
4.3.3. Outils de coupe
Les outils de coupes issues de la métallurgie des poudres sont des matériaux à matrice céramique.
Les outils de coupe nécessitent une bonne rigidité, une bonne résistance thermique et une bonne
dureté en surface. Or, les céramiques sont idéales pour l’usinage des pièces composées de métaux
durs. L’industrie des motoristes d'avion utilise le plus les outils de coupes pour les matériaux
exotiques très durs à usiner.
17
Figure 15-Usinage compresseur et outils de coupes CMC
5. Conclusion
Le but de ce rapport était de présenter une introduction aux matériaux composites à matrice
métallique et céramique. Les principales caractéristiques de ces matériaux ont été énoncées. Ensuite,
les procédés utilisés pour l’élaboration de ces composites ont été expliqués. Pour finir, des exemples
d’applications ont été présentés. Avec toutes ces informations, ceci permet d’avoir une bonne vue
d’ensemble sur ces types de matériaux bien spéciaux qui ont permis l’évolution en particulier dans
nos moyens de transport. À ce jour, les matériaux composites sont très populaires et de plus en plus
utilisés, mais de nouvelles technologies comme les nano particules vont sûrement encore
révolutionner nos transports et nos modes de vie.
18
6. Références
[1]-F.C. Campbell, Manufacturing Technology for aerospace structural materials, ELSevier
[2]-Tim Palucka and Bernadette Bensaude-Vincent, History Of Composites, consulté le 1 décembre
2014.[http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/composites/Com
posites_Overview.htm]
[3]-Bailon, Dorlot,Des Matériaux, Polytechnique, troisième édition
[4]-Thomas F. Klimowicz, The large-scale commercialization of aluminium-matrix composites. JOM
1994, volume 46, pp49-53
[5]-James D. Walker, Ph.D., and Donald J. Grosch, On the leading edge , consulté le 1 décembre 2014.
[http://www.swri.org/3pubs/ttoday/fall03/LeadingEdge.htm]
[6]- Dr. Dmitri Kopeliovich ,Liquid state fabrication of Metal Matrix Composites, consulté le 1
décembre 2014.
[http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=liquid_state_fabrication_of_metal_matrix_comp
osites]
[7]- Drop-Weight Impact Studies of GLARE 5 Fiber-Metal Laminates
, consulté le 1 décembre 2014. [http://what-when-how.com/experimental-and-appliedmechanics/drop-weight-impact-studies-of-glare-5-fiber-metal-laminates-experimental-and-appliedmechanics-part-1/]
[8]- Ceramic Matrix Composites (introduction) , consulté le 1 décembre 2014.
[http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=ceramic_matrix_composites_introduction]
[9]- Dr. Dmitri Kopeliovich, Fabrication of Ceramic Matrix Composites by Polymer Infiltration and
Pyrolysis (PIP) , consulté le 1 décembre 2014.
19
[http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=fabrication_of_ceramic_matrix_composites_by_p
olymer_infiltration_and_pyrolysis_pip]
20