Brevet FR2574072A1 — publié le 19860606

Pièce façonnée céramique à gradient de porosité, et son emploi pour la fabrication de pièces façonnées en matériau composite. L'invention concerne une pièce façonnée céramique, fa- briquée à partir de fibres résistant aux hautes tempéra- tures, réfractaires ou incombustibles, et de matériaux à fine granulométrie, réfractaires ou incombustibles, et éventuellement d'autres additifs courants. On connaît des pièces façonnées céramiques de ce genre, mais, dans le cas des pièces façonnées connues, on s'est toujours efforcé de rendre aussi homogène que possible,sur la section droite de la pièce façonnée, la répartition des fibres réfractaires ou incombustibles. La présente invention a pour but de créer une pièce façonnée céramique présentant des propriétés particulières de résistance mécanique, cette pièce façonnée céramique devant trouver une utilisation en particulier en tant que renforcement. Ce but est atteint par une pièce façonnée céramique du type décrit ci-dessus, caractérisée en ce que: a) sa porosité,dans une direction dans l'espace de la pièce façonnée,augmente d'une manière continue, constante et graduelle de moins de 20% à plus de 70%, b) les zones à faible porosité sont constituées essen- tiellement de matériaux à fine granulométrie, réfractaires ou incombustibles, c) les zones à haute porosité sont constituées essen- tiellement d'une céramique fibreuse à base de fibres de A1203, SiO2, ZrO2, C, SiC ou leurs mélanges, et d) les zones moyennes sont constituées de mélanges de la céramique fibreuse et des matériaux réfractaires ou incom- bustibles. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, les zones à faible porosité sont constituées de matériaux constitués euxmêmes pour plus de 90% en poids de SiO2 et les zones à porosité élevée sont constituées de matériaux comptant pour moins de 60% en poids de SiO2. Selon une autre forme de réalisation préférée de l'invention, les zones à faible porosité sont en des maté- riaux constitués pour plus de 90 % en poids de ZrO2, et les zones à porosité élevée sont en des matériaux constitués pour moins de 60 % en poids de ZrO2. Selon une autre forme de réalisation préférée de l'invention, les zones à faible porosité sont en des maté- riaux constitués pour plus de 90 % en poids de A1203, et les zones à porosité élevée sont en des matériaux constitués pour moins de 60 % en poids de A1203. Selon une autre forme de réalisation préférée de l'invention, les zones à faible porosité sont en des maté- riaux constitués pour plus de 80 % en poids d'une phase vitreuse, et les zones à porosité élevée de matériaux constitués pour plus de 80 % en poids d'une phase cristal- line. L'invention concerne en outre l'utilisation d'une pièce façonnée céramique de ce genre pour la fabrication de pièces façonnées en matériaux composites, infiltrés ou imprégnés de résines organiques, de poix, de goudron, de métaux, d'alliages métalliques ou de verres, en particulier de pistons à infiltrations d'alliages d'aluminium pour moteurs à combustion interne. On peut fabriquer une telle pièce façonnée céramique selon l'invention en préparant différents mélanges de fibres résistant aux hautes températures, incombustibles ou réfractaires, et de matériaux à fine granulométrie, incom- bustibles ou réfractaires, selon différentes proportions, ainsi que des dispersions ou suspensions, en particulier aqueuses, contenant éventuellement d'autres additifs cou- rants, et en versant les uns après les autres ces mélanges, présentant différents rapports entre les fibres et les matériaux réfractaires, dans un moule permettant l'aspira- tion du dispersant ou de l'agent de mise en suspension, en particulier de l'eau. On peut utiliser en tant que fibres réfractaires ou incombustibles, pour la fabrication de la pièce façonnée céramique, les fibres connues en soi dans la technique, qui sont aussi appelées des fibres minérales. Des exemples de fibres de ce genre sont les fibres de silicate d'aluminium, les fibres d'oxyde d'aluminium, les fibres de quartz, les fibres de carbone, les fibres de SiC ou aussi les fibres contenant ZrO2. Bien évidemment, il est tout aussi possible d'utiliser des mélanges de différentes fibres. Des fibres résistant aux hautes températures sont par exemple des fibres d'aramide, c'est-à-dire des fibres organiques qui résistent, au moins sur de courtes périodes, à des tempéra- tures allant jusqu'à 600 C. Lors de la fabrication des pièces façonnées céramiques selon l'invention, on peut utiliser en tant que matériaux à fines granulométrie, incombustibles ou réfractaires, les matériaux couramment utilisés dans la technique, par exem- ple des matériaux à base de A1203 comme le corindon, la bauxite grillée, l'alumine tabulaire, etc., des silicates d'aluminium, des matériaux comme la cordiérite, la sillimanite, la mullite, etc., des matières à base de SiO2 comme le quartz, ZrO2, SiC, Cr203ou leurs mélanges. Ces matériaux peuvent,au moins partiellement, être aussi utilisés sous forme colloïdale. A titre d'exemples d'additifs éventuels courants, il convient de citer des substances tensioactives, des épaissis- sants comme l'amidon, des agents de floculation comme des polymères organiques, par exemple des dispersions de poly- acrylates. La granulométrie des matériaux à fine granulométrie, incombustibles ou réfractaires, est avantageusement infé- rieure à 0,09 mm, de façon à assurer une bonne dispersion du mélange de fibres et du matériau à fine granulométrie. Lors de la fabrication des pièces façonnées céramiques, il est de même possible d'utiliser, au début ou à la fin du processus de fabrication, une dispersion qui ne contient que des fibres résistant aux hautes températures, réfractaires et incombustibles, et des additifs éventuels, ou qui ne contient que des matières à fine granulométrie, incombusti- bles ou réfractaires et des additifs éventuels, de façon que, lors de la fabrication des pièces façonnées céramiques, l'on n'ait sur un côté de la pièce façonnée que des fibres et, sur l'autre côté, que des matières à fine granulométrie, incombustibles ou réfractaires, ce qui donne un gradient de porosité particulièrement élevé. Lors de la fabrication des pièces façonnées céramiques, les dispersions ou suspensions des fibres résistant aux hautes températures, incombustibles ou réfractaires d'une part, et/ou des matières à fine granulométrie, incombustibles ou réfractaires, d'autre part, sont habituellement des sus- pensions ou dispersions aqueuses. Mais il est tout aussi possible d'utiliser pour cela des solvants organiques. Lors de la coulée des différents mélanges dans un moule permettant l'absorption du liquide de dispersion ou du liquide de suspension, il faut éviter que les couches se mélangent les unes aux autres d'une manière incontrôlée, c'est-à-dire qu'elles s'écoulent éventuellement les unes sous les autres. On peut y arriver par des mesures appro- priées, par exemple par une coulée lente ou par l'utilisa- tion d'un tamis grossier, introduit dans le moule de coulée et sur lequel on fait passer avec précaution la dispersion ou la suspension à couler, opération grâce à laquelle une couche déjà en place reste essentiellement en position. Après la coulée de la couche concernée, on peut soule- ver le tamis pour verser par-dessus la couche suivante d'une dispersion ou d'une suspension ayant une autre composition. Bien évidemment, l'extraction du tamis doit être effectuée avec grande précaution, pour éviter autant que possible un brassage des différentes couches. Quand toutes les couches ont été introduites dans le moule, on exerce avantageusement sur les couches se trouvant dans le moule un effet vibratoire, jusqu'à ce que les couches soient uniformément mélangées les unes aux autres au niveau de leurs interfaces, de façon à obtenir une varia- tion continue et constante de la composition de la suspen- sion, pour ce qui est des fibres résistant aux hautes températures, incombustibles ou réfractaires, d'une part, et des matières à fine granulométrie, réfractaires ou in- combustibles, d'autre part. Puis les différentes couches, mélangées d'une manière uniforme les unes aux autres au niveau de leurs interfaces, peuvent encore rester au repos dans le moule sur une période pouvant aller jusqu'à 100 heures mais, habituellement, il suffit d'un séjour inférieur à 2 heures. Le moule peut être un moule poreux, par exemple en plâtre, qui absorbe dans sa masse le liquide de dispersion ou le liquide de suspension. La pièce moulée est ensuite démoulée et habituellement séchée à des températures comprises entre 80 et 150 C, pendant de 2 à 48 heures. Après le séchage, la pièce moulée est cuite à une température appropriée, laquelle dépend de la tempé- rature limite d'utilisation des fibres utilisées,ainsi que des températures de frittage ou de fusion des matières à fine granulométrie, incombustibles ou réfractaires. Lors de cette cuisson, il se produit une réaction entre les matières à fine granulométrie, incombustibles ou réfrac- taires, et/ou les fibres résistant aux hautes températures, incombustibles ou réfractaires, selon les constituants se trouvant dans telle ou telle couche. Il se crée de cette manière, par la réaction des fibres résistant aux hautes températures, incombustibles ou réfractaires, ce que l'on appelle une céramique fibreuse, ce qui signifie que des fibres sont réticulées par frittage ou réaction chimique, c'est-à-dire sont collées au niveau de leurs surfaces de contact, la céramique fibreuse selon la présente invention étant constituée de 90-100% de fibres, le reste étant un liant inorganique, c'est-à-dire jusqu'à 10% en poids de liant. Ce mode de fabrication décrit ci-dessus des pièces façonnées céramiques a pour conséquence que la porosité varie dans une direction dans l'espace de la pièce fa- çonnée, savoir perpendiculairement aux couches introduites les unes après les autres dans le moule, la porosité aug- mentant, de façon continue, constante et progressive, dans la direction qui va des couches formées par les dispersions ou les suspensions constituées en totalité ou en majorité de matières à fines granulométrie, réfractaires ou incom- bustibles, vers les couches formées par les dispersions ou suspensions constituées en totalité ou en majorité de fibres incombustibles ou réfractaires. Grace à la composition des dispersions ou suspensions utilisées pour la fabrication des pièces façonnées cérami- ques,à partir de mélanges de fibres et de matières à fine granulométrie, il est possible d'avoir sur un côté de la pièce façonnée une porosité inférieure à 20%, en ayant du côté opposé une porosité pouvant dépasser 70%. Lors de la fabrication des pièces façonnées céramiques, il est de plus possible d'utiliser en tant qu'additifs éventuels des liants organiques ou inorganiques connus dans la technique, les liants employes pouvant être aussi ce que l'on appelle des liants chimiques, par exemple des phosphates, c'est-à-dire les liants qui, lors de la cuis- son de la pièce façonnée, provoquent une réaction chimique entre les différents constituants. Les pièces façonnées selon l'invention conviennent en particulier à la fabrication de pièces façonnées en maté- riaux composites, imprégnées ou infiltrées. Comme la poro- sité varie selon une direction dans l'espace de la pièce façonnée, l'importance de l'imprégnation ou de l'infiltra- tion par les substances considérées, par exemple des résines organiques, des métaux, des alliages métalliques ou des verres, varie; on obtient donc une pièce façonnée céramique qui possède une partie imprégnée ou infiltrée variant, selon un gradient, pratiquement parallèlement à cette porosité. Au lieu de résines organiques, on peut aussi utiliser de la poix ou du goudron, et apxês craquage à haute température, par exemple 400 a 6000 C, on obtient ce que l'on appelle des pièces façonnées çomposites à infiltration de carbone. On préfère tout particulièrement utiliser les pièces façonnées céramiques selon l'invention pour fabriquer des pistons à infiltrations d'alliages d'aluminium pour moteurs à combustion interne. En effet, on a sur un côté du piston un certain taux d'alliage d'aluminium infiltré, ce qui permet d'obtenir une surface contenant essentiellement l'alliage d'aluminium, tandis que,sur le côté opposé, la quantité d'alliage d'aluminium infiltrée, toujours rapportée à l'unité de volume de la pièce façonnée céramique, est beaucoup plus faible. De cette manière, on peut faire un piston pour moteurs à combustion interne, infiltré et fabriqué de cette manière, qui présente sur un côté surtout les propriétés de l'al- liage d'aluminium, c'est-à-dire une conductibilité ther- mique et une résistance mécanique élevées, tandis que le côté opposé du piston présente une conductibilité ther- mique beaucoup plus faible et une résistance mécanique encore plus élevée. L'avantage de ces pistons, dont les paramètres physiques, en particulier la conductibilité thermique, varient selon un gradient sur leur section transversale, réside dans l'augmentation de la température dans la chambre de combustion et une réduction des moyens mis en oeuvre pour le refroidissement des pistons. L'im- prégnation de corps façonnés céramiques poreux par des métaux ou des alliages est décrite dans le brevet britannique 1 567 328 ainsi que dans la demande de brevet britannique GB 2 088 761 A. La fabrication d'une pièce façonnée céramique est expliquée plus en détail à l'aide de l'exemple ci-après. Tout d'abord, on prépare selon les proportions sui- vantes différents mélanges de fibres incombustibles, ayant une température limite d'utilisation de 1260 C (fibres de silicate d'aluminium), et d'une suspension de Sio2 dans l'eau, la suspension contenant 50% en poids de matières solides. Pour obtenir une certaine résistance a vert de la pièce façonnée coulée et démoulée, on ajoute encore à la suspension 5% d'amidon, par rapport aux solides secs utilisés. Fibres Suspension de SiO2 (%-poids) (%-poids) Mélange 2: 94 6 3: 86 14 " 4: 64 36 " 5: 49 51 On a encore préparé un mélange 1 constitué d'une suspension de 10% des fibres dans l'eau. Un autre mélange 6 ne contenait que la suspension de SiO2 décrite ci- dessus. Ces mélanges 1 à 6 ont été coulés les uns après les autres dans un moule en plâtre poreux. Pour cela, on a d'abord introduit le mélange 1, qui ne contenait que des fibres. Puis on a versé par-dessus, les uns après les autres, les mélanges 2 à 5, en utilisant un tamis à grande ouverture de maille, qui empêchait que les dif- férentes couches se mélangent les unes aux autres lors de leur introduction dans le moule. Pour terminer, on a versé sur l'ensemble une couche de la suspension de SiO2 pure du mélange 6, de sorte que l'article moulé était constitué en tout de 6 couches. La composition théorique des couches, abstraction faite d'un faible brassage au niveau des interfaces pendant leur introduction dans le moule, était la suivante: Fibres Suspension de SiO2 (%-poids) (%-poids) Couche I 100 0 Couche II 94 6 Couche III 86 14 Couche IV 64 36 Couche V 49 51 Couche VI O 100 Le moule rempli avec les couches a été soumis pen- dant 5 minutes à des vibrations sur une table vibrante, jusqu'à ce que les couches se soient uniformément mélangées les unes aux autres au niveau de leurs interfaces. Lors d'essais préalables effectués dans un moule en verre transparent, on avait déterminé que 5 minutes de vibration suffisaient pour cela. Après 10 minutes de repos à la température ambiante, la pièce moulée a été extraite du moule et d'abord séchée pendant 10 heures à 80 C, puis pendant 12 heures à 110 C. Après le séchage, la pièce moulée, pratiquement débarras- sée de son eau, a été cuite pendant 4 heures à-une température de 10000 C. La conductibilité thermique et la porosité sur l'un des côtés de la pièce façonnée étaient respectivement de 1,0 W/mK à 8000 C et de 15%, tandis que l'autre côté de la pièce façonnée céramique présentait une porosité de 80% et une conductibilité thermique seulement égale à 0,16 W/mK à 8000C. PEVENDICATIONS 1. Pièce façonnée céramique, fabriquée à partir de fibres résistant aux hautes températures, incombustibles ou réfractaires, et de matières à fine granulométrie, incom- bustibles ou réfractaires et éventuellement d'autres additifs courants, caractérisée en ce que: a) sa porosité, dans une direction dans l'espace de la pièce façonnée, augmente, d'une manière continue et constante, selon un gradient, d'une valeur inférieure à 20% à une valeur supérieure à 70%, b) les zones à faible porosité sont constituées essentiellement des matières à fine granulométrie, incom- bustibles ou réfractaires, c) les zones à porosité élevée sont constituées essen- tiellement d'une céramique fibreuse à base de fibres de A1203, SiO2, ZrO2, C, SiC ou leurs mélanges, et d) les zones moyennes sont constituées de mélanges de la céramique fibreuse et des matières incombustibles ou réfractaires. 2. Pièce façonnée céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les zones à faible porosité sont constituées de matières comportant plus de 90% en poids de SiO2, et que les zones à porosité élevée sont constituées de matières comportant moins de 60% en poids de SiO2. 3. Pièce façonnée céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les zones à faible porosité sont constituées de matières comportant plus de 90% de ZrO2,et que les zones à haute porosité sont constituées de matières comportant moins de 60% en poids de ZrO2. 4. Pièe façonnée céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les zones à faible porosité sont constituées de matières comportant plus de 90% en poids de A1203, et que les zones à porosité élevée sont constituées de matières comportant moins de 60% en poids de A1203. 5. Pièce façonnée céramique selon l'une quelconque revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les zones à faible porosité sont constituées de matières comportant plus de 80 % en poids d'une phase vitreuse et que les zones à porosité élevée sont constituées de matières comportant plus de 80 % en poids d'une phase cristalline. 6.-Utilisation de la pièce façonnée céramique selon l'une quelconque. des revendications 1 à 5 pour la fabrica- tion de pièces façonnées composites, imprégnées ou infil- trées par des résines organiques, de la poix, du goudron, des métaux, des alliages métalliques ou des verres. 7. Utilisation selon la revendication 6, pour la fabri- cation de pistons pour moteurs à combustion interne, infiltrés par des alliages d'aluminium.