Brevet FR2011863A1 — publié le 19700313

L'invention concerne des matériaux composites comprenant une matrice de céramique, chimiquement liée par nitruration, formée par dépôt de poudre de silicium pulvérisée à la flamme sur un second matériau fibreux. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle matrice composite de céramique, en nitrure de silicium, selon lequel on vaporise à la flamme de la poudre de silicium sur une matière fibreuse de renforcement, et on chauffe ladite matrice dans l'azote ou l'ammoniac, pour transformer le silicium en nitrure de silicium. Dans un mode de réalisation typique de l'invention, de la poudre de silicium est déposée au pistolet à flamme pour former une matrice poreuse autour de fibres de tungstène, de molybdène, de carbure de silicium, de tungstène plaqué de carbure de silicium, ou de carbone, et on fait ensuite réagir la matrice de silicium poreux avec l'azote ou l'ammoniac, pour former une matrice de nitrure de silicium. La nature poreuse de la matrice, perméable à l'atmosphère réactive, permet la formation de nitrure de silicium à travers sa masse.Cette porosité de la matrice dépend d'un grand nombre de facteurs tels que : les caractéristiques de fluage de la poudre de silicium, dépendant elles-mêmes de la dimension des particules, de leur courbe de distribution et de leur forme ; la composition de la poudre ; la méthode de vaporisation ; la nature du support sur lequel le silicium est vaporisé ; le gradient de température dans le dépôt vaporisé; la distance entre le pistolet et la surface de la matrice ; le taux d'alimentation en poudre ; la température de la poudre vaporisée ; et sa vitesse de vaporisation ainsi qu'un grand nombre d'autres variables, dû à la complexité du procédé. Selon l'invention, on peut former des-anneaux cylindriques d'environ 5,08 cm de diamètre et 1,52 cm de hauteur, en nitrure de silicium, renforcé par des fils fins de tungstène et de molybdène. Pour cela, on vaporise le silicium sur un mandrin et par dessus la couche de silicium déposée, on enroule des fils ou fibres de renforcement, d'un diamètre d'environ 0,127 mm à 0,254 mm de diamètre, ou plus. Par dessus la couche de renforcement, on vaporise une seconde couche de silicium, qui épouse étroitement les contours des fibres, la vaporisation étant réglée pour déposer moins que 0,025 mm de silicium par passe du pistolet. On dépose ainsi des couches successives de silicium vaporisé et de fils ou fibres enroulés, pour produire un article de silicium renforcé par des fibres, ce processus permettant d'obtenir un taux de renforcement de la matrice, très élevé, comparativement aux techniques connues de fabrication des matériaux composites. Cet article de silicium renforcé est alors soumis à la nitruration par l'azote ou l'amioniac. Toute réaction de la matrice de silicium avec les fibres de renforcement peut être réduite ou rendue négligeable, pour ne pas nuire à l'intégrité des fibres ; la réaction avec des fibres de carbure de silicium, par exemple, peut être considérée comme négligeable. L'article composite à couches multiples de la matrice de sili cium et des fibres de renforcement peut être fabriqué selon un processus continu et automatique de dépôt des couches successives liées entre elles. La couche vaporisée pouvant être rendue très mince (environ 0,025 mm), on peut produire des couches de renforcement extrêmement rapprochées, formant des fractions très denses de renforcement. Le procédé de l'invention convient particulièrement à la fabrication d'articles creux. Comparativement aux autres méthodes d'incorporation de fibres, le procédé par enroulement présente, entre autres avantages, de permettre l'emploi de fibres continues d'un maniement facile, qui peuvent être introduites dans la matrice en fractions dont l'orientation et le volume sont contrôlés, en tirant le meilleur avantage des propriétés nidi- rectionnelles des fibres. Cependant des procédés d'application de la matière de renforcement, autres que l'enroulement, peuvent être employés, sans pour autant, sortir des limites de l'invention. Une caractéristique importante de l'invention consiste en ce que, au cours de la nitruration, la porosité de la matrice de silicium diminue considérablement, par sa transformation en nitrure de silicium ; c'est ainsi que la perméabilité de la matrice peut être pratiquement réduite à zéro, bien que les variations dimensionnelles générales de l'article composite soient insignifiantes. Lorsque des métaux réfractaires, comme le molybdène, sont enrobés, selon l'invention, dans une matrice de nitrure de silicium d'une densité d'environ 46 g/ml, ils sont capables de résister à un chauffage à 1200 C, pendant au moins 24 heures, à l'air, sans s'òxyder. Le procédé de l'invention permet d'améliorer la résistance, et en particulier la résistance à la rupture et à la fragmentation, de matrices céramiques en silicium, chimiquement reliées par nitruration. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée à l'exemple décrit, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art suivant les applications envisagées et sans qu'on s' écarte pour cela de l'esprit de l'invention. REVENDICATI CNS lo Procédé de fabrication de matrices céramiques composites de nitrure de silicium, chimiquement relies,qui consiste à vaporiser à la flamme une poudre de silicium, sur un matériau rQeenforceirent fibreux, et à chauffer la matrice dans une atmosphère nitrurante, pour transformer le silicium en nitrure de silicium0 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matière de renforcement est sous forme de fibre continue. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu' on forme une couche de la fibre continue enroulée sur un mandrin préalablement revêtu d'une couche de silicium, vaporisé à la flamme0 4.- Procédé suivant les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la fibre est enroulée en plusieurs couches superposées, séparées par des couches de silicium vaporisées à la flamme. 5.- Procédé suivant la revendication 4 caractérisé en ce que l'appareillage de vaporisation à la flamme et celui d'enroulement de la fibre sont reiiés entre eux, de façon que les dépôts de la matrice de silicium et de couches fibreuses de renforcement puissent être appliquées en continu. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière de renforcement consiste en fibres de tungstène, de molybdène, de carbure de silicium, de tungstène plaqué de carbure de silicium ou de carbone. 7.- A titre de produis industriels nouveaux, toutes matrices de céramique, composites, renforcées, obtenues selon un procédé tel que caractérisé dans l'une quelconque des revendications 1 à 6.