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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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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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Oxydation à très haute température
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3. Propriétés des céramiques ultra-réfractaires
3.1 Propriétés mécaniques et thermomécaniques
Les céramiques ultra-réfractaires possèdent des propriétés mécaniques élevées qui diffèrent selon qu’elles sont massives ou composites. Le tableau 2 reporte des valeurs du module de Young et de la résistance à la flexion pour différentes céramiques ultra-réfractaires . On voit que ces propriétés mécaniques diminuent quand la température augmente.
Le module de Young de céramiques à base de ZrB2 avec ou sans SiC varie de 500 à 540 GPa, à basse température et une plus grande différence apparaît à plus haute température, par exemple à 1 400 °C, il varie de 360 à 430 GPa. La présence de SiC tend à améliorer les propriétés mécaniques des diborures. Il en est de même pour HfB2 avec des valeurs voisines de 530 GPa à température ambiante pour décroître à haute température vers 300-400 GPa.
HAUT DE PAGE3.2 Propriétés thermiques
Les céramiques ultra-réfractaires à base de diborures de zirconium et hafnium sont de relativement bons conducteurs thermiques par comparaison aux céramiques « classiques », en particulier à haute température. Le tableau 3 reporte les valeurs des conductivités thermiques de différentes céramiques. Selon le mode d’élaboration, il existe une grande disparité dans les données comme on peut le voir pour ZrB2.
HAUT DE PAGE3.3 Propriétés optiques
Dans...
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Propriétés 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).
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(2) - SAMSONOV (G.V.) - Handbook of high-temperature materials – n° 2 Properties index, - Plenum press New-York (1964).
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(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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