Aperçu des matériaux composites carbone-carbone
matériau composite carbone/carbone (C/C)Il s'agit d'un matériau composite renforcé de fibres de carbone présentant d'excellentes propriétés, telles qu'une résistance et un module d'élasticité élevés, une faible densité, un faible coefficient de dilatation thermique, une résistance à la corrosion et aux chocs thermiques, une bonne résistance au frottement et une bonne stabilité chimique. C'est un nouveau type de matériau composite pour les très hautes températures.
matériau composite C/CIl s'agit d'un excellent matériau d'ingénierie à structure thermique et fonctionnelle intégrée. Comme d'autres matériaux composites haute performance, sa structure composite comprend une phase renforcée par des fibres et une phase de base. La différence réside dans le fait que ces deux phases sont composées de carbone pur aux propriétés spécifiques.
matériaux composites carbone/carboneCes matériaux sont principalement composés de feutre de carbone, de tissu de carbone et de fibres de carbone comme renfort, et de carbone déposé en phase vapeur comme matrice. Ils ne contiennent qu'un seul élément : le carbone. Afin d'augmenter leur densité, le carbone obtenu par carbonisation est imprégné de carbone ou de résine (ou d'asphalte), ce qui donne des matériaux composites carbone/carbone constitués de trois matériaux carbonés.
Procédé de fabrication des matériaux composites carbone-carbone
1) Choix de la fibre de carbone
La sélection des faisceaux de fibres de carbone et la conception structurelle des tissus de fibres constituent la base de la fabricationcomposite C/CLes propriétés mécaniques et thermophysiques des composites C/C peuvent être déterminées en sélectionnant rationnellement les types de fibres et les paramètres de tissage du tissu, tels que l'orientation de l'agencement des faisceaux de fils, l'espacement des faisceaux de fils, le volume des faisceaux de fils, etc.
2) Préparation de la préforme en fibre de carbone
Une préforme en fibre de carbone désigne un ébauchon mis en forme selon la structure requise, en fonction de la forme et des performances du produit, afin de réaliser le processus de densification. Il existe trois principaux procédés de fabrication des pièces préformées : le tissage souple, le tissage rigide et le tissage mixte souple/rigide. Les principaux procédés de tissage sont : le tissage à sec, l’agencement de groupes de barres pré-imprégnées, le tissage fin par perforation, l’enroulement des fibres et le tissage multidirectionnel tridimensionnel. Actuellement, le principal procédé de tissage utilisé pour les matériaux composites carbone est le tissage multidirectionnel tridimensionnel. Lors de ce procédé, toutes les fibres tissées sont orientées dans une direction précise. Chaque fibre est décalée d’un certain angle dans sa direction et entrelacée avec les autres pour former un tissu. Ce procédé permet de former un tissu multidirectionnel tridimensionnel, ce qui permet de contrôler efficacement la proportion de fibres dans chaque direction du matériau composite carbone/carbone. Ainsi, ce matériau composite carbone/carbone présente des propriétés mécaniques optimales dans toutes les directions.
3) Procédé de densification C/C
Le degré et l'efficacité de la densification dépendent principalement de la structure du tissu et des paramètres de traitement du matériau de base. Les procédés actuellement utilisés comprennent l'imprégnation-carbonisation, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), l'infiltration chimique en phase vapeur (CVI), le dépôt chimique en phase liquide, la pyrolyse et d'autres techniques. On distingue deux principaux types de procédés : l'imprégnation-carbonisation et l'infiltration chimique en phase vapeur.
Imprégnation en phase liquide-carbonisation
La méthode d'imprégnation en phase liquide est relativement simple en termes d'équipement et présente une large applicabilité. De ce fait, elle constitue une méthode importante pour la préparation de matériaux composites C/C. Elle consiste à immerger une préforme en fibre de carbone dans un imprégnant liquide, puis à faire pénétrer complètement ce dernier dans les pores de la préforme par pressurisation. Après une série d'étapes telles que la polymérisation, la carbonisation et la graphitisation, on obtient finalement le matériau composite.matériaux composites C/CSon inconvénient réside dans la nécessité de cycles répétés d'imprégnation et de carbonisation pour atteindre la densité requise. La composition et la structure de l'imprégnant sont cruciales dans la méthode d'imprégnation en phase liquide. Elles influent non seulement sur l'efficacité de la densification, mais aussi sur les propriétés mécaniques et physiques du produit. Améliorer le rendement de carbonisation et réduire la viscosité de l'imprégnant constituent des enjeux majeurs dans la préparation de matériaux composites C/C par cette méthode. Une viscosité élevée et un faible rendement de carbonisation sont parmi les principales causes du coût élevé de ces matériaux. Améliorer les performances de l'imprégnant permet non seulement d'accroître l'efficacité de production et de réduire le coût des matériaux composites C/C, mais aussi d'améliorer leurs diverses propriétés. Concernant le traitement anti-oxydation des matériaux composites C/C, la fibre de carbone commence à s'oxyder à 360 °C à l'air. La fibre de graphite présente une meilleure résistance à l'oxydation, sa température d'oxydation débutant à 420 °C. La température d'oxydation des matériaux composites C/C est d'environ 450 °C. Ces matériaux s'oxydent très facilement en atmosphère oxydante à haute température, et la vitesse d'oxydation augmente rapidement avec la température. Sans mesures anti-oxydation, l'utilisation prolongée de matériaux composites C/C dans un environnement oxydant à haute température entraîne inévitablement des conséquences catastrophiques. Par conséquent, le traitement anti-oxydation des matériaux composites C/C est devenu une étape indispensable de leur fabrication. Du point de vue des technologies anti-oxydation, on distingue deux types : les techniques de protection interne et les techniques de revêtement anti-oxydation.
Phase vapeur chimique
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD ou CVI) consiste à déposer du carbone directement dans les pores de la pièce brute afin de les remplir et d'augmenter sa densité. Le carbone déposé se graphitise facilement et présente une bonne compatibilité physique avec la fibre. Contrairement à la méthode d'imprégnation, il ne se rétracte pas lors de la recarbonisation et offre de meilleures propriétés physiques et mécaniques. Cependant, si du carbone se dépose en surface lors du procédé CVD, il empêche la diffusion du gaz vers les pores internes. Ce carbone superficiel doit alors être éliminé mécaniquement avant de procéder à un nouveau dépôt. Pour les pièces épaisses, la méthode CVD présente également certaines difficultés et son cycle est très long.
Date de publication : 31 décembre 2024