Brevet FR2610922A2 — publié le 19880819

FR 2610922 A2 19880819 FR 8702105 A 19870218 ADDlication ou utilisation d'un Procédé de oréoaration de matériaux composites à éLéments de renforcement orientés. à La fabrication de céramiques composites, et les céramiques comoosites ainsi obtenues. La présente invention concerne une application ou utilisation d'un procédé de préparation de matériaux composites à éLéments de renforcement orientés, à la fabrication de céramiques composites, et les céramiques composites ainsi obtenues. Il a été décrit dans le brevet principal n0 84 14800 un procédé de préparation de matériaux composites formés d'une matri ce et d'éléments de renforcement en forme de fibres, caractérisé en ce que les fibres sont imprégnées d'un matériau précurseur dudit matériau matrice alors qu'elles sont soumises à un champ éLectro- statique induit par un courant électrique de voltage élevé qui peut être un courant électrique alternatif, un courant électrique continu, les deux types de courants pouvant être successivement appliqués.La matériau précurseur de matrice peut être formé par un mélange de deux précurseurs que L'on polymérise successivement dans des conditions différentes après mise en forme du matériau intermédiaire obtenu après la polymérisation de l'un des précurseurs (voir les revendications et le texte descriptif). On couvre également les produits obtenus par ce procédé. On a maintenant découvert de manière inattendue que l'application ou l'utilisation de ce procédé procurait des effets inattendus lors de la fabrication de céramiques composites et qu'il était donc d'un intéret capital pour la fabrication de céramiques composites, qu'elles soient du type céramique-céramique ou céramique-fibres diverses. On connaît en effet les avantages des matériaux céramiques basés sur leur dureté mécanique, leur résistance aux très hautes températures, leur résistance aux agents corrosifs, etc. Cependant, ces céramiques ont toutes le défaut d'être cassantes. On a donc pensé créer des céramiques composites à l'instar des composites connus, mais on s'est heurté à de très grandes difficultes concernant particuLièrement l'introduction de la matrice dans les fibres, dues à la viscosité de la matrice et au collage interface entre la matrice et les fibres. Or, l'application ou l'utilisation des procédés décrits par la demanderesse dans son brevet FR 84 14800 permet de résoudre simultanément toutes ces difficultés car le procédé de traitement électrostatique qui est décrit permet un gonflement des fibres, facilitant l'introduction de la matrice, une orientation des fibres permettant L'emploi de fibres longues necessaires pour l'obtention d'une bonne résistance mécanique tandis que le mordançage permet un excellent collage interface. La présente invention a donc pour but de résoudre un nouveau problème technique consistant en la fourniture d'une solution permettant de préparer des céramiques composites dont l'introduction de la matrice dans les fibres est aisée, comportant un excellent collage interface et permettant en outre l'emploi de fibres longues nécessaires pour obtenir une bonne ou excellente résistance mécanique. Ce problème est résolu pour la première fois par la présente invention de manière satisfaisante. Ainsi, La présente invention concerne une application ou utilisation du procédé tel que décrit dans le brevet principal FR 84 14800 à la fabrication de céramiques composites et notamment de céramiques composites du type céramique-céramique ou céramique-fibres diverses. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on réalise la fabrication d'une céramique dont la matrice céramique est du type zircone et les fibres sont en carbure de silicium et sont avantageusement des fibres longues tissées ou non, dont la longueur est de préférence identique, ou voisine, à la longueur de la pièce à fabriquer. Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, on utilise comme matrice céramique de l'alumine, les fibres étant également réalisées en alumine et étant avantageusement des fibres longues mais non tissées. La présente invention couvre aussi les céramique composites obtenues par ce procédé. Comme noté précédemment, lors de L'application ou l'utilisation du procédé décrit dans le brevet principal, on a constaté que l'application d'un champ électrostatique, haute tension de type alternatif, de préférence faisant suite à l'applica- tion d'un champ électrostatique, haute tension de type continu, rendait les fibres rugueuses en surface, de préférence après avoir réalisé un effet de gonflage de ces fibres, ce qui permet d'améliorer de façon radicale, tout à fait inattendue,L'imprégna- tion des fibres par la matrice et le collage ou l'adhérence interface entre la matrice et les fibres, en améliorant de manière radicale les propriétés mécaniques des céramiques composites obtenues. On donne ci-après deux exemples illustratifs, non limitatifs de l'invention qui se sauraient donc en aucune façon limiter la portée de l'invention. Exemple 1 On dispose des fibres tissées longues en carbure de silicium, par exemple du type "N;calon" de chez Nitsui, entre les plaques d'un dispositif générateur de champ électrostatique pouvant être alimentées par un courant électrique haute tension continu ou alternatif. On effectue un traitement de ces fibres par le procédé électrostatique décrit dans le brevet principal 84 14800 qui est de préférence réalisé comme suit : On applique tout d'abord aux plaques un courant électrique haute tension continu d'au moins 40 000 volts, par exemple de préférence égaL à 100 000 volts, pendant quelques minutes, de préférence environ 10 minutes, de manière à aboutir à un écartement des fibres et à un gonflement de celles-ci, L'épaisseur de l'ensemble des fibres devenant alors entre deux et quatre fois L'épaisseur du lit des fibres initialement introduit entre les plaques formant électrodes, comme décrit dans le brevet principal. De préférence, on applique ensuite un courant électrique alternatif à un voltage au moins égal à 20 000 volts, de préférence environ 25 000 volts, pendant quelques minutes, de préférence environ 10 minutes, de manière à obtenir une rugorité de surface des fibres par effet d'arrachement à la surface, ou mordançage, résultant de décharges localisées lors de la modification du champ électrostatique par inversion de polarité du champ électrique. Ce traitement des fibres se fait avantageusement sous un courant d'air chaud porté à une température supérieure à 100 C, de préférence égale à environ 1300C. Ensuite, alors que les fibres de carbure de silicium sont encore sous l'influence du champ électrostatique, on enrobe ces fibres de carbure de silicium avec une matrice céramique ici composée de préférence de Zr02 (70 % en poids) et de SiO2 (30 % en poids), pouvant contenir un liant adhésif ainsi qu'avantageusement un liant activeur, à raison d'une proportion relative suivante, en pourcentage en poids % en poids - Matrice céramique :: Zr02 (70 % en poids) Si o; (30 % en poids) 50 - Liant adhésif type 940 A de "Cotronics" Liant activeur type 940 T de "Cotronics" - Fibres tissées longues "Carbure de silicium type "Nicalon" MITSUI 30 9n procède ensuite à l'opération de cuisson, de la manière suivante - on effectue tout d'abord une première cuisson dans un four classique à l'air ambiant porté à une température de 800C pendant 2 heures ; - on coupe le chauffage et on laisse au repos pendant 24 heures ; - on effectue une deuxième cuisson dans le mène four classique à l'air ambiant en portant la température progressivement à 1 0500C par palier horaire de 1500C ; ; - on coupe ensuite le chauffage et on effectue un refroidissement lent pendant 24 heures ; - on effectue enfin une troisième cuisson dans le but d'effectuer un frittage ; - cette troisième cuisson est effectuée dans un four à atmosphère neutre ou réductrice, par exemple Xénon ou H2. De même on porte la température progressivement à 1 6500C pendant 2 heures, par palier horaire de 1500C ; - on coupe ensuite le chauffage et on effectue un refroidissement lent pendant 24 heures. Les céramiques composites ainsi préparées, dénommées du type "zircone-carbure de silicium" présentent les caractéristiques suivantes - Densité : 2,7 - Couleur :blanc-rose - Température maximum d'utilisation : 1 8000C - Reprise d'eau : nuLle - Module de flexion : 160 G.Pa - Module de rupture : 860 M.Pa - Elongation : 0,47 - Résistance mécanique aux vibrations : de O à 60 KHz. On peut constater à partir de ces résultats d'essai, que les caractéristiques de ces céramiques composites ainsi obtenues par l'application ou l'utilisation du procédé électrostatique, sont tout à fait exceptionnelles, ce qui constitue un progrès technique déterminant, particulièrement inattendu pour un homme du métier. Exemple 2 On procède de la même manière qu'à l'exemple 1 en utilisant comme matrice de L'alumine et comme fibre, des fibres longues non tissées d'alumine du type Sumitomo. La matrice contient comme Liant adhésif un liant adhésif type RTC 70 de "Contronics", les proportions relatives étant les mêmes qu'à L'exemple 1. On obtient de cette manière un matériau céramique composite présentant les caractéristiques suivantes - Densité : 2,2 - Couleur : blanc - Température maximum d'utilisation : 1 7000C - Module de flexion : 140 G.Pa - Module de rupture : 720 M.Pa - Elongation : 0,38. Comme mentionné précédemment, l'invention comprend aussi les céramiques composites obtenues. Ainsi, les deux exemples mentionnés ci-dessus font également partie intégrante de l'invention. Il est à noter que, selon l'invention, par fibres longues, on entend des fibres dont la longueur peut être quelconque. Avantageusement, la longueur de ces fibres est adaptée à la longueur de la pièce à fabriquer. Ainsi, on prévoit que la longueur de ces fibres soit identique ou voisine de la longueur de la pièce. IL n'y a donc pas de limitation de dimension des fibres, contrairement à ce qui était le cas dans les procédés antérieurs. Ceci constitue donc un avantage particulièrement inattendu de l'invention. Les fibres utilisées comme éléments de renforcement peuvent être de nature diverse sans sortir du cadre de l'invention. Il peut s'agir avantageusement de fibres de carbure de silicium, du bore, de l'alumine, du carbone et des polyamides sous toutes leurs formes. La matrice peut aussi être de nature diverse dans la mesure ou elle aboutit à la formation d'un matériau type céramique. Avantageusement, il s'agit d'une matrice ZrO2; Zr02Si0;Si02; Ail203; SiO2 Al203; LiO; TiO2; ZnO; MnO; CaO; Ce02; MgO5; Al2TiO5; NiSi02 et leurs mélanges en toutes proportions. REVENDICATIONS 1. Application ou utilisation du procédé de préparation de matériaux composites formés d'une matrice d'éléments de renforcement en forme de fibre selon l'une quelconque des revendications du procédé de brevet FR 84 14800, comprenant la soumission des fibres à un champ électrique induit par un courant électrique de voltage élevé, alternatif ou continu, l'imprégnation de ces fibres avec un matériau précurseur de ladite matrice et le durcissement de cette matrice, à la fabrication de céramiques composites, notamment du type céramique-céramique ou céramique fibres-diverses. 2. Application ou utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres utilisées comme éléments de renforcement sont choisies parmi du carbure de silicium, du bore, de l'alumine, du carbone et des polyamides, sous toutes leurs formes. 3. Application ou utilisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la matrice est choisie parmi le groupe consistant d'alumine, de zircone, en particulier un mélange ZrO2 + SiO2, de préférence en un rapport relatif en poids de 70 % à 30 %. 4. Application ou utilisation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'on utilise des fibres longues, dont la longueur est de préférence identique ou voisine à la longueur de ta pièce à fabriquer. 5. Application ou utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on utilise des fibres tissées, avantageusement des fibres tissées longues. 6. Céramiques composites, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par L'application ou l'utilisation telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Céramiques composites selon la revendication 6, caractérisées en ce que la matrice est choisie parmi le groupe consistant d'alumine, de zircone ou d'un mélange de zircone et de SiO2 tandis que les fibres sont choisies parmi Le groupe consistant d'alumine, de carbure de silicium, de bore, de carbone, ou des polyamides sous toutes leurs formes.