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RÉSUMÉ
Les céramiques ultra-réfractaires sont des matériaux qui résistent à des températures supérieures à 2000 °C. Ces matériaux, en plein développement dans de nombreux pays, sont envisagés pour des applications dans les domaines spatial (boucliers thermiques de véhicules), énergétique (propulsion, solaire, nucléaire…) et plus généralement là où des températures très élevées sont présentes. Selon l’environnement rencontré (fortement oxydant, réducteur…), le choix d’une céramique sera fait en fonction de sa tenue dans le temps et ses propriétés d’usage sont donc très importantes à connaître. Dans cet article, certains exemples sont présentés pour différents domaines d’application.
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Ultra-High-Temperature Ceramics (UHTCs) are materials that withstand temperatures above 2000 °C. These materials are being strongly developed in several countries for applications in the fields of space (heat shields for vehicles), energy (propulsion, solar, nuclear, etc. and more generally wherever very high temperatures are present. Depending on the environment encountered (strong oxidant, reducing agent, etc.), the choice of a ceramic will be made according to its resistance over time, and so its properties in use are very important to know. In this article, some examples are presented for different fields of application.
Auteur(s)
-
Marianne BALAT-PICHELIN : Directrice de Recherche CNRS - Laboratoire Procédés, Matériaux et Énergie Solaire (PROMES-CNRS) UPR 8521, Font-Romeu Odeillo, France
INTRODUCTION
Les céramiques ultra-réfractaires sont une sous-classe des céramiques réfractaires et sont classiquement définies comme ayant des températures de fusion supérieures à 3 000 °C. Néanmoins leur utilisation à très haute température doit être considérée en fonction de l’atmosphère les environnant et plusieurs définitions sont possibles. Elles connaissent actuellement un fort développement afin d’être utilisées dans les domaines spatial, par exemple comme boucliers thermiques de véhicules spatiaux à vitesse hypersonique, et de l’énergie pour la propulsion, le nucléaire, le solaire…
Ces céramiques ultra-réfractaires sont formées à base de borures, carbures ou nitrures de métaux de transition, essentiellement le titane, le zirconium, le hafnium, le niobium, le tantale et se présentent sous forme massive – avec ou sans inclusion de fibres de renfort –, de couches minces ou formées par infiltration dans une préforme fibreuse de façon à élaborer un matériau composite. Les plus étudiées actuellement sont ZrB2-SiC, HfB2-SiC, la présence du carbure de silicium SiC améliorant la résistance à l’oxydation à haute température.
Dans cet article, ces différentes céramiques ultra-réfractaires sont présentées et certaines de leurs propriétés sont données. Les modes d’élaboration, leurs domaines d’utilisation et leur tenue à haute température dans différentes atmosphères oxydantes sont présentés avec à l’appui des exemples concrets. L’évolution de leur composition de façon à résister à des environnements extrêmes est mentionnée. De nombreuses perspectives sont ouvertes pour une utilisation plus grande de ces matériaux qui actuellement sont plutôt développés à l’échelle du laboratoire.
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KEYWORDS
ceramics | solar | high temperatures | thermal shields
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Propriétés des céramiques ultra-réfractaires
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2. Élaboration des céramiques ultra-réfractaires
L’élaboration de céramiques ultra-réfractaires peut se faire par différentes techniques dont les principales sont brièvement présentées, d’une part pour les céramiques massives obtenues à partir de poudres, et d’autre part pour les céramiques composites comportant une matrice fibrée. Pour des informations complémentaires plus détaillées sur ces techniques, on pourra se référer aux articles [AF 6 620] [AF 6 621] [IN 56] et [N 4 801] sur l’élaboration de céramiques parues dans les Techniques de l’Ingénieur.
La technique utilisée par l’industrie est basée sur la carboréduction d’oxydes mais les poudres céramiques obtenues comportent de nombreuses impuretés. Nous présentons dans la suite, différentes méthodes d’élaboration qui sont réalisées en laboratoire majoritairement et qui sont détaillées dans ...
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Élaboration des céramiques ultra-réfractaires
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BAR-COHEN (Y.) - High temperature materials and mechanisms, - CRC Press Taylor & Francis group, ISBN 978-1-4665-6645-3 (2014).
-
(2) - SAMSONOV (G.V.) - Handbook of high-temperature materials – n° 2 Properties index, - Plenum press New-York (1964).
-
(3) - SAMSONOV (G.V.) - Refractory carbides, - Studies in Soviet Science, Consultants bureau, New-York, ISBN 0-306-10900-X (1974).
-
(4) - GASCH (M.J.), ELLERBY (D.T.), JOHNSON (S.M.) - Handbook of Ceramic Composites – Chap. 9. Ultra High Temperature Ceramic Composites, - Ed. N.M. Bansal, Kluver Acad Publis., New-York 197-224 (2005).
-
(5) - LI (F.), HUANG (X.), ZHANG (G.-J.) - Recent Applications in Sol-Gel Synthesis – Chap. 3 Preparation of ultra-high temperature ceramics-based materials by sol-gel routes, - Ed. Usha Chandra Intech Open, ISBN 978-953-51-3246-2 39-61 (2017).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Agence spatiale européene (ESA)
« Basic research needs for Materials under Extreme Envvoironments », Édité par J. Wadsworth, G.W. Crabtree et R. J. Hemley, Office of Basic Energy Sciences, Department of Energy, février 2008.
http://www.sc.doe.gov/bes/reports/files/MUEE_rpt.pdf
HAUT DE PAGE
« Ultra-High Temperature Ceramics : Materials For Extreme Environment Applications »
ECI Conference Series, 3-8 Août 2008, Lac Tahoe, Californie, USA
E.J. Wuchina, Naval Surface Warfare Center (États-Unis) et A. Bellosi, CNR-ISTEC (Italie).
« Ultra-High Temperature Ceramics : Materials For Extreme Environment Applications II »
ECI Conference Series, 13-18 Mai 2012, Hernstein, Autriche
W. Fahrenholtz, Université du Missouri, W. Lee, Imperial College Londres, E.J. Wuchina, Naval Service Warfare Center et Y. Zhou, Aerospace Research Institute
Articles à télécharger : http://dc.engconfintl.org/uhtc/
« Ultra-High Temperature Ceramics : Materials For Extreme Environment Applications III »
ECI Conference Series, 12-16 Avril 2015, Outrigger Surfer’s Paradise, Gold Coast, Australie
G. Franks...
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