La thèse porte sur cette couche de nitrure ou d’oxynitrure de silicium. Le déroulé prévoit l’élaboration des deux types de dépôts par voie gazeuse (par Chemical Vapor Infiltration CVI), la caractérisation de ces dépôts (par tous les moyens scientifiques à disposition et jugés utiles), ainsi que des essais en conditions proches de l’application visée (haute température, présence de phases liquides) pour juger de l’efficacité de ces dépôts et notamment effectuer une comparaison entre le nitrure et l’oxynitrure. Une étude complète des paramètres modifiables lors de l’élaboration et de leur effet sur la chimie (et par conséquent l’influence sur le comportement du matériau en conditions d’utilisation) représente le cœur du travail considéré.

Ceramics are usually used at high temperature because of their refractory nature. However, they are too brittle to be submitted to high stresses, such as in the rotating parts of aircraft engines. One way to reduce the brittleness of ceramics is to design them as composites. The fiber/matrix architecture displays a damageable character thanks to a suitable interfacial layer, which is deposited on the fiber cloths before the infiltration with molten silicon. The aim of the thesis is to propose and evaluate a solution to protect the fiber reinforcement during the impregnation step with liquid silicon. This solution involves the deposition of a protective layer made of silicon nitride or oxynitride.

La performance mécanique des composites à matrice céramique repose en partie sur le contrôle de la liaison interfaciale et le choix des matériaux. Ces travaux s’intéressent au renforcement de la liaison interfaciale en traitant la surface des fibres SiC de dernière génération : les Hi-Nicalon S. L’objectif est d’établir une accroche chimique et/ou mécanique principalement avec l’interphase BN. Des composites modèles, minicomposites élaborés par voie CVI (Chemical Vapor Infiltration) sont utilisés comme base de travail. La quantification de la force de la liaison interfaciale s’effectue en évaluant l’énergie de liaisons interfaciales Gci issues d’essais de traction, et en calculant la contrainte de cisaillement τ par essais de pushout. Dans un premier temps, les fibres HNS dont les surfaces ont été légèrement modifiées, ont été testées avec l’interphase classique PyC. La liaison interfaciale sur minicomposites reste faible. Différentes traitements chimiques ont été effectués à la surface des fibres dans l’optique de renforcer la liaison interfaciale avec le BN, interphase plus résistance à l’oxydation que le PyC. Au préalable, les conditions d’élaborations de l’interphase BN ont été étudiées.

Mechanical properties of ceramic composites can be improved by controlling interfacial bonding and choosing materials. To enhance interfacial bonding, treatment on the last SiC fiber, Hi-Nicalon S surface are proposed in this work. The aim is to allow chemical and/or mechanical bonds mainly with BN interphase. For this, composites models, minicomposites are elaborated by CVI (Chemical Vapor Infiltration). Quantification of the strength of interfacial bonding is based by evaluating interfacial bonding energy Gci with tensile tests, and by calculating interfacial shear stress τ with push-out tests. Firstly, Hi-Nicalon S fibers whose surfaces have been slightly modified have been tested with classic interphase PyC. Interfacial bonding on minicomposites is weak. Different treatments have been performed on surface fibers to enhance interfacial bonding with BN, which have a better resistance oxidation than PyC. Before, elaboration parameters of BN interphase have been studied.

L’objectif était de concevoir et réaliser des architectures alvéolaires performantes pour les récepteurs solaires volumétriques des futures centrales thermodynamiques. Trois stratégies différentes sont envisagées pour l’ébauche des préformes carbones ou céramiques : (i) la synthèse de matériaux biomorphiques issus de la découpe de balsa, (ii) l’élaboration de structures céramiques par projection de liant et (iii) la réplication de structures polymères réalisées par impression 3D, à l’aide d’une résine précurseur de carbone ou céramique. Dans tous les cas, les préformes crues sont converties par pyrolyse en C ou SiC et une étape d’infiltration/revêtement de SiC par CVD (Chemical Vapor Deposition) achève la fabrication des structures céramiques. Une étape intermédiaire de RCVD (Reactive CVD) a été mise en œuvre au cours de la première voie, afin de convertir la structure carbonée microporeuse en TiC. La composition, la microstructure et l’architecture poreuse des structures céramiques ont tout d’abord été caractérisées. Les caractéristiques des matériaux les plus pertinentes, compte tenu de l’application en tant qu’absorbeur solaire, ont ensuite été examinées. Les propriétés thermomécaniques et la résistance à l’oxydation ont ainsi été caractérisées en priorité. La perméabilité et les propriétés thermo-radiatives, qui sont également deux facteurs importants pour l’application, ont également été considérées.

The aim is to design and create efficient cellular architectures for volumetric solar receivers used in the future thermodynamic power plants. Three strategies are considered for the creation of ceramic or carbon preforms: (i) the synthesis of biomorphic materials resulting from the cutting of balsa, (ii) the elaboration of ceramic structures by binder jetting and (iii) the replication of polymer structures made by 3D printing, using a carbon or ceramic precursor resin. In all cases, the green preforms are converted by pyrolysis to C or SiC and an infiltration step / SiC coating by CVD (Chemical Vapor Deposition) completes the manufacture of ceramic structures. An intermediate stage of RCVD (Reactive CVD) was implemented during the first strategy, in order to convert the microporous carbonaceous structure into TiC. The composition, the microstructure and the porous architecture of the ceramic structures were first characterized. The characteristics of the most relevant materials, considering the application as a solar receiver, were then examined. The thermomechanical properties and the oxidation resistance have thus been characterized in priority. Permeability and thermo-radiative properties, which are also two important factors for application, were also considered.

Les composites à matrice céramique ont initialement été développés pour des applications aérospatiales, aéronautiques militaires ou énergétiques en raison de leurs bonnes propriétés à haute température. Ils sont généralement fabriqués par le procédé CVI (Chemical Vapour Infiltration). Un nouveau procédé hybride combinant l’imprégnation de poudre au sein de préformes, suivie de la CVI Réactive(RCVI), est proposé afin de réduire les temps de production. Cette voie est basé sur l’adaptation du procédé RCVD à l’infiltration en milieu poreux. En RCVD, l’absence d’une partie des éléments du dépôt de carbure dans la phase gazeuse implique une consommation/conversion du substrat solide. Dans cette étude, la croissance et la consommation associée ont été étudiées en fonction de divers paramètres dans le système chimique Ti-H-Cl-C. Cette étude est accompagnée d’analyses (DRX, XPS, IRTF) des produits issus de la réaction chimique de formation du TiC. Ensuite, la conversion partielle d’une poudre de carbone submicronique enTiC et la consolidation des zones compactes de poudre par l’infiltration RCVI utilisant le mélange gazeux H2/TiCl4 a été étudiée. La porosité résiduelle et la teneur en TiC ont été mesurées par analyse d’image à différentes distance de la surface des matériaux. Selon la température, plusieurs centaines de micromètres infiltrés ont été obtenus. Finalement, les résultats ont été transposés à l’infiltration RCVI de préformes type CMC. Malgré une teneur minimale de 25% de TiC dans l’ensemble de la préforme, les résultats montrent une mauvaise homogénéité d’infiltration et une mauvaise cohésion des blocs de poudre consolidés avecles fibres de leurs environnements.

Ceramic matrix composites were originally developed for aerospace,military aeronautics or energyapplications thanks to their good properties at high temperature. They are generally made by ChemicalVapor Infiltration (CVI). A new short hybrid process combining fiber preforms lurry impregnation ofceramic powders with an innovative Reactive CVI (RCVI) route is proposed to reduce the productiontime. This route is based on the combination of Reactive Chemical Vapour Deposition (RCVD), whichis often used to deposit coatings on fibres, with the Chemical Vapor Infiltration (CVI).In RCVD, the absence of one element of the deposited carbide in the initial gas phase involves theconsumption/conversion of the solid substrate. In this work, the RCVD growth and the associatedconsumption were studied with different parameters in the Ti-H-Cl-C chemical system. The study hasbeen completed with the chemical products analysis, combining XRD, XPS and FTIR. Then, the partialconversion of sub-micrometer carbon powders into titaniumcarbide and the consolidation of greenbodies by RCVI from H2/TiCl4 gaseous infiltration were studied. The residual porosity and the final TiCcontent were measured in the bulk of the infiltrated powders by image analysis from scanning electronmicroscopy. Depending on temperature, few hundred micrometers-depth infiltrations are obtained.Finally, the…

La protection des composites carbone/carbone face à l’oxydation à très hautes températures (2000°C) est une nécessité à leur utilisation dans de nouvelles applications. Une protection composée de carbure de hafnium et de carbure de silicium a été développée lors de travaux précédents. Cette protection de surface pourrait être plus efficace une fois infiltrée à cœur du composite. Le premier point étudié lors de cette thèse est l’amélioration des connaissances sur le dépôt par CVD (Chemical Vapor Deposition) d’un multicouche PyC/SiC/HfC/SiC. Celle-ci passe par la détermination des variations de morphologie du HfC déposé en fonction de la température et de la pression, de l’étude des cinétiques de dépôt et de la modélisation des phénomènes thermiques, chimiques et d’écoulement présents en phase gazeuse au sein du four. Le deuxième point d’étude est axé sur l’infiltration de carbure de hafnium et de silicium par CVI (Chemical Vapor Infiltration) et par RMI (Reactive Melt Infiltration) au sein de mèches de carbone ou d’une préforme carbonée. Le dernier point d’étude est la compréhension des mécanismes d’oxydation de la protection à 2000°C sous atmosphère oxydante à différentes pressions d’oxygène.

The protection against oxidationat very high temperatures (2000°C) is required for carbon/carbon composite new applications. One composed by hafnium and silicon carbides (HfC and SiC) has been developed in previous work. This surface protection could be more effective if infiltrated in the composite.The first part of this thesis is devoted to the improvement of knowledge on CVD (Chemical Vapor Deposition) deposit of a multilayer PyC/SiC/HfC/SiC. Morphology variation of HfC with temperature and pressure, deposition kinetic study and modelling of thermal, chemical phenomenon and flux velocity in gas has to be determined. The second part of the study is focused on carbide infiltration by CVI (Chemical vapour infiltration) and RMI (Reactive Melt Infiltration) inside carbon tows and preform. The last part is devoted to determine the oxidation mechanism of the protection at 2000°C under oxidizing atmospheres.

Les composites SiC/SiC à renfort fibreux à base de SiC, et à matrice SiC sont développés pour applications aéronautiques. En vue d’améliorer leur durée de vie en atmosphère oxydante à haute température, l’utilisation d’interphase BN est préconisée,puisque l’oxyde de bore liquide permet de protéger le matériau. Cependant, sous atmosphère humide, la volatilisation de B2O3 sous forme d’hydroxyde HxByOz est non négligeable. L’objectif de ce travail est d’optimiser l’organisation structurale de BN élaboré par CVD/CVI, pour améliorer sa résistance à l’oxydation, et d’évaluer l’intérêt de l’ajout d’élément(s) au nitrure de bore permettant la stabilisation thermodynamique de B2O3 à haute température, en présence d’humidité. Ce travail a permis d’établir des liens entre composition chimique de la phase gazeuse, cinétique et mécanisme de dépôt, et degré d’organisation du nitrure de bore. Malheureusement, si la résistance à l’oxydation de BN augmente perpendiculairement à ses plans (002) avec son organisation structurale, elle est à peine améliorée le long des plans (002). Néanmoins, l’intérêt de l’ajout d’aluminium à l’interphase BN pour améliorer la stabilité chimique de B2O3 en présence d’humidité a été démontré à une température suffisamment élevée pour permettre la formation de cristauxAl4B2O9. Ainsi, il semble que ces cristaux permettent une cicatrisation efficace des fissures matricielles dans des composites SiC/SiC. Des essais supplémentaires d’oxydation dans des conditions plus complexes, comme sous cyclage thermique, sont nécessaires pour conclure catégoriquement en faveur de l’amélioration de la durée de vie de ces matériaux.

SiC/SiC composites with SiC-based fibres and SiC matrix are developed for aeronautic applications. In order to improve their life time in an oxidizing atmosphere at high temperature, the use of BN interphase is recommended, as far as liquid boron oxide can protect the material. However, this glassy material is known to be very sensitive to moisture because boron oxide volatilizes quickly under high temperature. The aims of this work are (i) to maximise the structural organization of BN deposited by CVD/CVI to improve its oxidation resistance and (ii) to assess the interest of elemental addition to boron nitride allowing thermodynamic retention for B2O3 under wet air. Relationships between gas phase composition, deposition rates, and microstructure have been established in this work. Unfortunately, if the oxidation resistance of BN perpendicular to its (002) crystal planes increases with its structural organization, it appears to be hardly improved along the (002) planes. Nevertheless, aluminium addition to BN has led to Al4B2O9 crystals generation, asAl2O3 reacts together with B2O3 under high temperature. These materials therefore appear tobe able to seal SiC matrix cracks. As a result, the global oxidation resistance under wet air of SiC/SiC composites with B(Al)N interphases can been significantly improved. Additional oxidation tests, especially under thermal cycling, are needed to…

L'objectif de la thèse était de synthétiser des tubes de SiC monolithiques pour améliorer l'étanchéité de la structure composite SiC/SiC d'une gaine de combustible nucléaire. Des revêtements tubulaires de 8 mm de diamètre et quelques centaines de micromètres d'épaisseur ont été produits par dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique à partir d'un mélange CH3SiHCl2/H2. Le procédé a été développé de manière à réaliser en continu des tubes de SiC de plusieurs dizaines de centimètres de long. La composition chimique et la microstructure des tubes ont été déterminées par microsonde de Castaing, spectroscopie Raman, DRX et microscopie électronique (MEB, MET). Les propriétés mécaniques des tubes ont été caractérisées par nanoindentation et à travers des essais de compression C-ring. Le comportement thermomécanique a également été étudié. L'étude du procédé comprend une étude thermocinétique, un suivi de la phase gazeuse par IRTF et la modélisation 2D du réacteur.

The goal of this study was to synthesize monolithic SiC tubes to improve sealing of the SiC / SiC composite of a nuclear fuel cladding structure. Tubes of 8 mm inner diameter and several hundred micrometers in thickness have been produced by atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) from a mixture CH3SiHCl2/H2. The method has been developed so as to produce continuous SiC tubes of up to thirty centimeters long. The chemical composition and microstructure of the tubes were determined by microprobe, Raman spectroscopy, XRD and electron microscopy (SEM, TEM). The mechanical properties of the tubes were characterized by nanoindentation tests and through compression C -ring . The thermomechanical behavior was also studied. The method includes consideration of a thermokinetic study , followed by a gas phase analysis by IRTF and 2D modeling of the reactor.