Projet ANR-15-CE09-0022 – Carbofibers : Nouveaux types de fibres céramiques à base de carbonitrure de silicium à partir de polysilazanes modifiés par des composés organométalliques
Programme : Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur (DS0305) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Samuel BERNARD (Institut Européen des Membranes)
Partenaires : CME Ceramic Materials Engineering; Laboratoire public
Montant : 228960.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Les fibres de carbure de silicium (SiC) suscitent un regain d’intérêt de la part des industriels aux Etats-Unis (General Electric) et en Europe (SGL, Safran, …) depuis 2012, en particulier comme agents de renforcement des matériaux composites à matrice céramique (CMCs) destinés à des applications thermostructurales. Outre leur intérêt militaire, ces matériaux sont des candidats de choix pour renforcer les CMCs dans certains composant des futurs réacteurs nucléaires ou encore dans l’aviation civile (aube de turbine, moteur, …) comme le futur Boeing pour les propriétés qu’elles possèdent et qu’elles confèrent aux CMCs. Cependant leur coût est très élevé en raison d’une production exclusivement au Japon. La présente proposition entre deux instituts français (IEM) et allemands (CME) vise à (re)positionner l’Europe sur cette thématique aux retombées technologiques élevées et à renforcer son expertise acquise dans les années 90 sur l’élaboration de fibres céramiques non-oxydes. Ce partenariat à l’expertise complémentaire propose des compositions alternatives au SiC tout aussi performantes en termes de propriétés thermostructurales mais dont le procédé de production permet de réduire sensiblement le coût de production des fibres. Nous considérons les systèmes Si-C-N, Si-B-C-N et Si-Al-C-N qui sont connus pour leur stabilité chimique et thermique élevées sous atmosphères agressives. L'intégration de métaux de type nickel et fer à l'échelle moléculaire permettra en outre d'étendre la fonctionnalité des fibres Si-C-N notamment en développant leurs propriétés électriques et magnétiques. Dans ce projet situé aux frontières de l'ingénierie moléculaire, de la chimie des matériaux, des procédés et de la physique, des polycarbosilazanes seront synthétisés, modifiés et caractérisés pour générer des fibres avec une composition, une nanostructure et un diamètre contrôlés pour satisfaire les exigences liées à une application comme agents de renforts dans les CMCs. Pour atteindre nos objectifs, le projet est partagé en cinq tâches scientifiques interconnectées. La première tâche est axée sur la synthèse de polycarbosilazanes et leur modification par des metalloïdes (B) ou métaux (Al, Ni, Fe). La chimie de ces composée maitrisée par les deux partenaires de ce projet sera étudiée grâce à des techniques de caractérisation complémentaires. Une évaluation de leur propriété de filabilité à l’état fondu par analyse thermomécanique sera entreprise. La tâche 2 consistera à suivre les phénomènes rhéologiques qui se produisent pendant le filage à l’état fondu. En particulier, la rhéologie des polymères en cisaillement et en extension sera étudiée afin de comprendre le comportement au filage de ces polymères. La tâche 3 étudie la conversion en céramique des fibres polymères qui évoluera dans la structure céramique finale souhaitée (Si-C-N, Si-B-C-N et Si-Al-C-N ainsi que Si-C-N modifié par Ni ou Fe). La tâche 4 est dédiée à la caractérisation des fibres céramiques à l'aide d'outils de caractérisation complémentaires et novateurs pour ces matériaux alors que leurs propriétés thermostructurales, mécaniques, électriques et magnétiques seront plus particulièrement étudiées. Enfin la tâche 5 sera tournée vers le développement et l’optimisation du procédé d’élaboration des fibres à travers une approche cinétique et de modélisation pour en améliorer leurs performances et la reproductibilité en termes d’élaboration et de propriétés de celles-ci. Il faut préciser que cette approche permet non seulement de considérer d’autres formes de fibres (fibres cruses, nanofibres) mais aussi d’autres fonctions comme les fonctions catalytiques (avec Ni) qui pourront être investies comme études préliminaires. La préparation de ces matériaux devrait se traduire par des avancées significatives sur les fibres céramiques non-oxydes au terme du projet qui devrait intéresser le monde industriel et permettre à l’Europe de se positionner sur cette thématique en pleine croissance.