Brevet FR2654750A1 — publié le 19910524

L'invention concerne des revêtements d'oxyde d'arrêt sur des fibres et plus particulièrement une fibre revêtue et un procédé pour appliquer un revêtement d'oxyde d'arrêt à des fibres de renfort, telles que celles qui renforcent les matrices de céramique. On peut conférer une résistance mécanique et de la ténacité à des composites par incorporation de fibres de renfort Ces structures ont été très souvent décrites dans la littérature concernant les brevets et autres Cependant, pour les composites destinés à être utilisés dans un environnement oxydant à des températures supérieures à 1 000 C, le nombre des matériaux constituant les fibres et la matrice dans laquelle les fibres sont incorporées est limité Avec diverses combinaisons de ces matériaux, des phénomènes indésirables peuvent se produire Par exemple, une interaction chimique défavorable, une oxydation ou une liaison indésirable (c'est-à-dire trop puissante ou trop faible) entre les fibres et la matrice peuvent réduire la ténacité du composite et l'utilisation efficace et pratique du composite. Comme l'interface entre une fibre et la matrice qui l'entoure est importante dans les composites renforcés, on a proposé des revêtements comme milieu de transition Parmi les études concernant ce sujet figurent "Fiber Coating and Characterization" par David C Cranmer, CERAMIC BULLETIN, Vol 68, N O 2, 1989, pages 415-419; et "The Role of the FiberMatrix Interface in Ceramic Composites" par Ronald J Kerans et coll, CERAMIC BULLETIN, Vol 68, N O 2, 1989, pages 429-442 On trouvera dans ces articles une information de fond et une explication des mécanismes qui interviennent. Comme l'exposent ces articles et d'autres écrits, les tentatives d'ajustement des propriétés interfaciales n'en sont qu'à leur début Cependant, on a observé que des couches interfaciales relativement faibles peuvent être bénéfiques, par exemple en ce qui concerne le mécanisme de cassure des fibres et/ou de la matrice Des fibres de renfort ayant une résistance mécanique et un module supérieur à ceux de la matrice peuvent améliorer les propriétés du composite, si une charge peut être convenablement transférée de la matrice aux fibres Il apparait qu'un revêtement interfacial, dont la composition et la microstructure sont préalablement choisies pour être bénéfiques à la combinaison matricefibres, peut améliorer la résistance et la ténacité des composites Cela est particulièrement important pour l'utilisation dans un environnement oxydant à des températures supérieures à 1 000 C; l'exposition à de telles températures accroit les risques de dégradation des fibres ainsi que de réaction entre les matériaux en contact à l'interface, par exemple entre la fibre et le revêtement et entre le revêtement et la matrice. On a observé que, dans certains cas, une microstructure relativement fine, pour laquelle on utilise des termes tels que cristalline, microcristalline ou cristallites, peut constituer une telle structure de revêtement bénéfique Il semble, dans certains cas, qu'une microstructure constituée de cristaux relativement grossiers enchevêtrés puisse être bénéfique. En résumé, selon une de ses formes, l'invention fournit un procédé pour appliquer un revêtement d'oxyde d'arrêt à une fibre de renfort, par exemple une fibre de céramique, le revêtement ayant une microstructure et une épaisseur choisies à l'avance L'invention propose un liquide comprenant un sel métallique sous une forme qui se décompose par chauffage dans une gamme de températures de décomposition en un oxyde métallique utile à une température supérieure à 1 0000 C dans un environnement oxydant et qui ne réagit pas chimiquement de façon défavorable avec la fibre de renfort Par exemple lorsqu'un tel sel est dissous dans de l'eau constituant le liquide ou solvant, on obtient généralement un hydroxyde métallique. La concentration du sel métallique dans le liquide est choisie de façon à établir la microstructure choisie à l'avance du revêtement. Par exemple, une concentration pondérale dans la gamme d'environ 1 % à moins d'environ 15 % produit un oxyde relativement fin, généralement non cristallin ou microcristallin; une concentration pondérale dans la gamme d'au moins environ 15 %, par exemple d'au plus environ 20 %, fournit une microstructure de revêtement faite de cristaux d'oxyde relativement grossiers enchevêtrés. On mouille la fibre de renfort, de préférence on la mouille totalement, avec le liquide constituant la solution de revêtement, pour appliquer une couche d'une forme du sel métallique, par exemple l'hydroxyde, sur la fibre L'épaisseur de la couche est choisie de façon à établir sur la fibre, après le chauffage de décomposition, un revêtement ayant une épaisseur dans la gamme d'environ 0,05 à 7 % du diamètre de la fibre Ensuite, on chauffe la couche dans la gamme des températures de décomposition pour décomposer le sel métallique en oxyde métallique et former une fibre de renfort ayant un revêtement d'oxyde d'arrêt ayant la microstructure choisie à l'avance. Les modes de réalisation préférés de l'invention vont maintenant être décrits Diverses techniques de revêtement des fibres ont été mentionnées dans la littérature, par exemple dans l'article précité "Fiber Coating and Characterization" Les plus couramment utilisées sont le dépôt chimique en phase vapeur (DCV), le dépôt de type sol-gel et le dépôt d'un précurseur de polymère, ainsi que le revêtement par pulvérisation Ce dernier applique un revêtement par arrachement de l'espèce formant le revêtement à partir d'une cible dont on bombarde la surface avec un faisceau ionique Cependant, au cours de l'évaluation de l'invention, on a établi que des techniques, telles que le DCV ou la pulvérisation, conviennent mal au dépôt de certains oxydes qui se sont révélés être des matériaux préférables de revêtement des fibres dans la pratique de l'invention Le procédé de l'invention est souple, efficace et rentable, et permet de produire des fibres à revêtement d'arrêt, immédiatement après la production des fibres, par une opération de revêtement séparée ou par une opération en ligne avec un procédé d'incorporation à une matrice ou d'enroulage filamentaire. Comme l'indique la littérature, un composite à matrice de céramique (CMC) est constitué d'une matrice de céramique fragile à laquelle des renforts de céramique sont incorporés De la sorte, les CMC peuvent être conçus avec des mécanismes qui dissipent l'énergie associée à un front de propagation de fissures, afin de leur conférer une ténacité Comme exposé dans l'article précité 'The Role of the Fiber-Matrix Interface in Ceramic Composites", et ailleurs dans la littérature, les mécanismes de dissipation de l'énergie reposent sur le découplage de la fibre d'avec la matrice lorsque le front de fissures s'approche de la fibre Cela nécessite qu'une liaison faible existe à l'interface fibre/matrice Le procédé de l'invention établit, à l'interface fibre/matrice, un revêtement ayant une composition et une microstructure choisies à l'avance comme souhaitables pour la combinaison particulière de fibres et de matrice. Dans une forme préférée de l'invention, on choisit un ou plusieurs sels métalliques pour les incorporer au liquide, de préférence sous forme d'une solution ou d'une suspension très fine comme précurseur, afin de former sur les fibres un revêtement d'un oxyde de Hf, de Zr ou de leurs mélanges Par exemple, on a établi que Hf O 2 et Zr O ont une résistance et un module faibles en tant que revêtements des fibres Même s'il est lié, ce revêtement semble se déformer à l'approche d'un front de fissures Ces oxydes présentent des changements de phase bénéfiques lorsque les températures varient, en particulier au-dessus d'environ 1 000 C Egalement, leur volume varie avec les variations de la microstructure, ce qui forme, de façon souhaitable, un revêtement "microfissuré" après des cycles thermiques. Le Zr O 2 et l'Hf O 2, en tant que revêtements des fibres, se sont révélés convenir particulièrement bien à l'utilisation aux températures supérieures à 1 000 C, en raison de leur compatibilité avec les fibres d'A 1203 telles que celles des fibres de saphir monocristallin Comme précédemment mentionné, les matériaux des fibres utiles à des températures supérieures à 1 O 00 OC dans les CMC sont limités L'alumine, sous forme de fibres de saphir, est un des renforts particulièrement intéressants pour une telle application. Cependant, sa réaction avec d'autres oxydes de revêtement à des températures supérieures à 1 0000 C peut poser un problème grave Par exemple, des problèmes de réaction, tels que la formation d'une solution solide, se posent à de telles températures avec des matériaux comme les oxydes de Ce, Si et Y et les nitrures de B, Si et Al, que l'on a parfois proposés dans la littérature pour le revêtement des fibres D'autres matériaux des fibres comprennent un aluminosilicate et le carbure de silicium. Dans une forme préférée de l'invention, les éléments métalliques, tels qu'Hf et Zr, peuvent être sous forme d'un sel soluble tel qu'un oxyhalogénure métallique Typiquement dans l'invention, on a appliqué des revêtements d'Hf O 2 et de Zr O à des renforts de céramique, en utilisant les sels de type oxychlorure hydraté en solution aqueuse, pour appliquer la couche d'un sel à une fibre de renfort, par exemple une fibre de céramique Lorsque ces sels sont dissous dans l'eau, il se forme l'hydroxyde On dispose également de formes solubles dans d'autres solvants, par exemple des sels organométalliques La décomposition à chaud d'une telle couche de sel métallique forme un revêtement d'oxyde métallique sur la surface de la fibre. Selon l'invention, la microstructure du revêtement d'oxyde d'arrêt est déterminée par la concentration du sel métallique dans le liquide, tel que la solution de revêtement, appliqué pour former une couche sur la fibre Par exemple, lors de l'évaluation de l'invention, on a établi que lorsqu'on utilise comme sel métallique l'oxychlorure de zirconium ou l'oxychlorure d'hafnium, la cristallisation de l'oxyde après séchage ne débute que lorsqu'on utilise une solution à plus d'environ 10 % en poids, par exemple jusqu'à près de 15 % en poids, du sel de type oxychlorure et qu'au moins environ 1 % en poids est nécessaire pour former un revêtement uniforme suffisamment adhérent sur la surface de la fibre A la concentration de 5 % en poids, le revêtement comprend des oxydes anhydres en microcristaux isolés, par exemple ayant une taille d'environ 0,7 pm Cependant, pour une concentration supérieure à environ 15 % en poids, le revêtement présente une cristallisation et environ 20 % en poids de dendrites ou de cristaux enchevêtrés de l'oxyde sont présents Donc, lorsqu'on utilise l'oxychlorure de zirconium, l'oxychlorure d'hafnium ou leurs mélanges dans la pratique de l'invention, lorsqu'un revêtement relativement fin d'oxyde en grains isolés est bénéfique et souhaité, on utilise un liquide comprenant environ 1 % en poids à moins d'environ 15 % du sel métallique pour former la couche de sel métallique avant la décomposition à chaud Si l'on désire un revêtement relativement grossier de dendrites ou de cristaux enchevêtrés de l'oxyde, on utilise un liquide comprenant au moins environ 15 % en poids, de préférence environ 15 à 20 % en poids, du sel métallique Le choix du caractère du revêtement dépend, au moins en partie, de la liaison désirée à l'interface entre la fibre et la matrice, comme précédemment indiqué L'invention permet d'assurer la liaison désirée L'utilisation d'autres sels métalliques peut conduire à d'autres limites des ingrédients du liquide afin de permettre l'ajustement et le choix de la liaison désirée. L'épaisseur du revêtement des fibres est également un facteur important En général, il est souhaitable que le revêtement ait l'épaisseur minimale assurant un milieu de transition sans dissolution à la température d'utilisation envisagée Selon l'invention, on a établi qu'une épaisseur du revêtement d'oxyde inférieure à environ 0,05 % du diamètre des fibres est nécessaire pour qu'un oxyde métallique couvre la surface des fibres et remplisse la fonction qui lui est assignée Cependant, pour une épaisseur du revêtement d'oxyde de 7 % ou plus du diamètre de la fibre, le revêtement est trop épais et commence à se comporter comme une matrice Selon l'invention, l'épaisseur de la couche du sel métallique appliquée est choisie pour que l'on obtienne un revêtement d'oxyde métallique ayant une épaisseur dans la gamme d'environ 0,05 à moins de 7 % du diamètre de la fibre Avec une fibre de saphir, on a observé qu'une concentration du sel de type oxyhalogénure de Zr ou de Hf en solution aqueuse dans la gamme d'environ 1 % en poids à moins de 15 % en poids, forme un revêtement contenant au moins environ 50 % d'oxyde sous forme de microcristaux fins. Dans la préparation du liquide de revêtement, sous forme d'une solution ou d'une suspension fine du sel métallique, il est approprié et pratique d'incorporer un liant, tel qu'une matière organique couramment utilisée dans l'art, qui se décompose pratiquement sans laisser de résidu indésirable lors de la décomposition par chauffage du sel métallique Des exemples de tels liants utilisés dans l'évaluation de l'invention comprennent la méthocellulose et l'alcool polyvinylique Après séchage de la couche appliquée, par exemple dans l'air, le liant maintient en place, sur la fibre, une couche du sel métallique, par exemple sous forme de l'hydroxyde, avant la décomposition par chauffage Sous cette forme, le liquide comprend un précurseur de l'oxyde métallique ou d'une combinaison d'oxydes et un liant organique fugace approprié. Diverses fibres résistantes aux températures élevées ont été évaluées relativement à l'invention Elles comprennent la forme monocristalline de l'A 1203 appelée saphir, le monofilament commercialisé sous le nom de Textron SCS-6 et des fibres d'aluminosilicate commercialisées sous le nom de Sumitomo ou Nextel. Toutes ces matières conviennent à l'utilisation au moins à 1 0000 C sans changement indésirable des propriétés mécaniques. Ensemble d'exemples 1 Dans un ensemble d'exemples spécifiques, on prépare une série de liquides sous forme de solutions aqueuses d'oxychlorure de zirconium, comme sel de type oxyhalogénure métallique, à des concentrations de 1 %, 5 %, 10 % et 20 % en poids On incorpore comme liant organique de la méthocellulose à une concentration d'environ 1 % en poids On mouille avec ce liquide des fibres de saphir ayant un diamètre d'environ 150 pm par passage des fibres à travers le liquide Après séchage à environ 30 WC, on obtient une couche d'oxyde de zirconium hydraté et de liant ayant une épaisseur d'environ 1 pm. Dans cet exemple, on chauffe ensuite la fibre traitée dans l'air à environ 6000 C, la gamme de températures de décomposition étant d'environ 50 à 500 WC, pour assurer une décomposition complète Le sel se décompose en un revêtement de Zr O 2 ayant une épaisseur d'environ 0,01 à 2,5 Fm. Ensemble d'exemples 2 On répète l'ensemble d'exemples 1, si ce n'est que l'on utilise l'oxychlorure d'hafnium comme sel de type oxyhalogénure métallique. Les ensembles d'exemples 1 et 2 fournissent une série de fibres de saphir à revêtement d'oxyde ayant les caractéristiques suivantes: Concentration du sel Microstructure du revêtement d'oxyde 1 % mince, adhérent, à grains fins, microcristallin 5 % épaisseur 0,7 pm, microcristallin % plus épais et début de cristallisation % cristallisation plus importante % dendrites ou cristaux enchevêtrés Ces exemples typiques montrent que l'invention fournit un procédé pour appliquer, à une fibre ou à plusieurs fibres, un revêtement d'oxyde d'arrêt ayant une microstructure choisie à l'avance pour une application et une matrice particulières Sous une forme plus spécifique, l'invention fournit un revêtement de compatibilité et d'inertie exceptionnelles avec des fibres d'A 1203, par exemple sous forme d'un saphir monocristallin, à des températures d'au moins 1 000 C. Des données, exemples et modes de réalisation typiques représentatifs de l'invention ont été présentés, mais le spécialiste de l'art notera qu'ils n'ont aucun caractère limitatif et que l'invention peut présenter d'autres formes dans le cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS 1 Procédé pour appliquer un revêtement d'oxyde d'arrêt à une fibre de renfort ayant un diamètre prédéterminé afin que le revêtement ait une microstructure et une épaisseur choisies à l'avance, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: application à la fibre d'une couche d'un sel métallique qui se décompose, par chauffage dans une gamme déterminée à l'avance des températures de décomposition, en un oxyde métallique qui ne réagit pas chimiquement de façon indésirable avec la fibre de renfort à la température d'utilisation prévue, a) la concentration du sel métallique dans la couche étant choisie de façon à assurer la microstructure choisie à l'avance du revêtement; et b) l'épaisseur de la couche étant choisie de façon à établir sur la fibre, après chauffage dans la gamme des températures de décomposition, un revêtement d'oxyde métallique ayant une épaisseur dans la gamme d'environ 0,05 % à moins de 7 % du diamètre de la fibre; puis chauffage de la couche dans la gamme des températures de décompostion pour décomposer le sel métallique en oxyde métallique et produire une fibre de renfort ayant un revêtement d'oxyde d'arrêt dont la microstructure et l'épaisseur sont choisies à l'avance. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le sel métallique est un oxyhalogénure métallique. 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel le sel de type oxyhalogénure métallique est choisi dans le groupe constitué par un oxyhalogénure de zirconium, un oxyhalogénure d'hafnium et leurs mélanges. 4 Procédé selon la revendication 3, dans lequel le sel de type oxyhalogénure métallique est l'oxychlorure de zirconium hydraté. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le sel de type oxyhalogénure métallique est l'oxychlorure d'hafnium hydraté. 6 Procédé pour appliquer un revêtement d'oxyde d'arrêt à une fibre de renfort ayant un diamètre prédéterminé et pouvant être exposée à un environnement oxydant à une température supérieure à 1 0000 C, sans qu'il y ait pratiquement de changement indésirable des propriétés mécaniques de la fibre, caractérisé en ce que les étapes de réalisation du revêtement ayant une microstructure et une épaisseur choisies à l'avance consistent à se pourvoir d'un liquide ayant une concentration du sel métallique qui se décompose, par chauffage dans une gamme des températures de décomposition déterminée à l'avance, en un oxyde métallique utile à une température supérieure à 1 0000 C dans un environnement oxydant et qui ne réagit pas chimiquement de façon indésirable avec la fibre de renfort à une telle température, la concentration du sel métallique dans le liquide étant choisie de façon à établir la microstructure choisie à l'avance du revêtement; mettre la fibre de renfort en contact avec le liquide pour appliquer une couche du sel métallique à la fibre de renfort, l'épaisseur de la couche étant choisie de façon à former sur la fibre, après chauffage dans la gamme des températures de décomposition, un revêtement d'oxyde métallique ayant une épaisseur dans la gamme d'environ 0,05 % à moins de 7 % du diamètre de la fibre; puis, chauffer la couche dans la gamme des températures de décomposition pour décomposer le sel métallique en oxyde métallique et fournir une fibre de renfort ayant un revêtement d'oxyde d'arrêt avec la microstructure et l'épaisseur choisies à l'avance. 7 Procédé selon la revendication 6, dans lequel le liquide est une solution d'un sel de type oxyhalogénure dans un solvant de ce sel. 8 Procédé selon la revendication 7, dans lequel le liquide est une solution aqueuse d'un sel de type oxyhalogénure métallique choisi parmi l'oxyhalogénure de zirconium, l'oxyhalogénure d'hafnium et leurs mélanges; et la concentration du sel dans le liquide est dans la gamme d'environ 1 % à moins de 15 % en poids, lorsque la microstructure choisie à l'avance du revêtement doit être sensiblement microcristalline, et d'au moins environ 15 %, lorsque la microstructure choisie à l'avance du revêtement doit comprendre une il matière cristalline. 9 Procédé selon la revendication 8, dans lequel le sel de type oxyhalogénure métallique est l'oxychlorure de zirconium hydraté. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le sel de type oxyhalogénure métallique est l'oxychlorure d'hafnium hydraté. 11 Fibre de renfort perfectionnée, caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison: une fibre de renfort ayant un diamètre prédéterminé, faite d'un matériau pouvant être exposé à un environnement oxydant à une température supérieure à 1 0000 C, sans qu'il y ait pratiquement de changement indésirable des propriétés mécaniques de la fibre; et un revêtement d'oxyde d'arrêt sur la fibre, le revêtement étant fait d'un oxyde choisi parmi l'oxyde de zirconium, l'oxyde d'hafnium et leurs mélanges; le revêtement ayant une épaisseur dans la gamme d'environ 0,05 % à moins de 7 % du diamètre de la fibre. 12 Fibre selon la revendication 11, dont le matériau est choisi parmi l'alumine, un aluminosilicate et le carbure de silicium. 13 Liquide de revêtement pour couche d'oxyde d'arrêt utile pour le revêtement d'une fibre de renfort, caractérisé en ce qu'il comprend: un sel de type oxyhalogénure métallique sous une forme qui se décompose, par chauffage dans une gamme des températures de décomposition déterminée à l'avance, en un oxyde métallique qui ne réagit pas chimiquement de façon indésirable avec la fibre de renfort à la température d'utilisation envisagée, et un solvant du sel; la concentration du sel dans le liquide étant dans la gamme d'environ 1 à 20 % en poids. 14 Liquide selon la revendication 12, dans lequel le sel de type oxyhalogénure métallique est choisi parmi un oxyhalogénure de zirconium, un oxyhalogénure d'hafnium et leurs mélanges. Liquide selon la revendication 14, dans lequel le sel de type oxyhalogénure métallique est l'oxychlorure de zirconium hydraté. 16 Liquide selon la revendication 14, dans lequel le sel de type oxyhalogénure métallique est l'oxychlorure d'hafnium hydraté. 17 Composite à matrice de céramique comprenant une matrice et une fibre de renfort incorporée à la matrice, caractérisé en ce que la fibre a un revêtement d'oxyde choisi parmi l'oxyde de zirconium, l'oxyde d'hafnium et leurs mélanges. 18 Composite à matrice de céramique de la revendication 17, dans lequel le revêtement est fait d'oxyde de zirconium. 19 Composite à matrice de céramique de la revendication 17, dans lequel le revêtement est fait d'oxyde d'hafnium.