Brevet FR3114329A1 — publié le 20220325

Procédé de traitement d’une phase gazeuse résiduelle issue d’une technique CVI L’invention concerne le traitement d’une phase gazeuse résiduelle comprenant des chlorosilanes radicalaires issue d’un procédé d’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium, dans laquelle la phase gazeuse résiduelle est diluée dans une conduite de pompage de sorte à éviter le dépôt d’espèces pyrophoriques. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé de traitement d’une phase gazeuse résiduelle issue d’une technique CVI L’invention concerne le traitement d’une phase gazeuse résiduelle issue d’un procédé d’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium, pour lequel la quantité de dépôts pyrophoriques en aval de l’enceinte réactionnelle est réduite, voire supprimée ainsi qu’une installation associée. Les Composites à Matrice Céramique (CMC) présentent un intérêt en tant que matériaux fonctionnant à de hautes températures (1300°C) sous fortes contraintes (pièces tournantes des moteurs d’avions par exemple). Leur capacité à s’endommager, nécessaire pour leur emploi dans ce type d’environnements, leur est conférée par leur architecture composite. Leur fabrication comprend notamment l’infiltration d’une préforme fibreuse en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » ; « CVI »). Le matériau majoritairement déposé de cette façon est le carbure de silicium SiC. Il peut être déposé à partir du précurseur gazeux méthyltrichlorosilane CH 3 SiCl 3 . Il s’agit d’un précurseur chloré, qui se décompose en zone chaude des fours de densification avant de former la céramique SiC via des recombinaisons de précurseurs effectifs. La réaction n’affiche cependant jamais un rendement de 100%, en particulier lorsqu’elle est conduite à basse pression ( Il est donc souhaitable de réduire, voire d’éviter, la formation d’espèces pyrophoriques en sortie de l’enceinte réactionnelle. La présente invention vise un procédé de traitement d’une phase gazeuse résiduelle comprenant des chlorosilanes radicalaires issue d’un procédé d’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium ayant eu lieu dans une enceinte réactionnelle, la phase gazeuse résiduelle étant entraînée à l’extérieur de l’enceinte réactionnelle par un dispositif de pompage, caractérisé en ce que la phase gazeuse résiduelle traverse à la sortie de l’enceinte réactionnelle une conduite de pompage dans laquelle un gaz diluant est introduit de sorte à se mélanger à la phase gazeuse résiduelle et former ainsi un mélange gazeux, et dans laquelle le mélange gazeux est maintenu à une température supérieure ou égale à 100°C. L’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium met en œuvre une pression faible pour réaliser la densification de structures poreuses. Cette pression faible conduit à une certaine quantité d’espèces intermédiaires dans la phase gazeuse résiduelle, en l’occurrence des chlorosilanes radicalaires, qui n’ont pas réagi. Ces chlorosilanes radicalaires peuvent former un polymère pyrophorique (Cl-Si-H) n à froid. Afin de réduire ou d’éviter la formation de ce polymère pyrophorique, les chlorosilanes radicalaires sont dilués par le gaz diluant pour les éloigner les uns des autres et éviter leur polymérisation, et le maintien à une température suffisante dès la sortie de l’enceinte réactionnelle permet d’éviter la condensation non contrôlée des chlorosilanes radicalaires sur la paroi de la conduite de pompage. Dans un exemple de réalisation, le mélange gazeux traverse un condenseur amovible positionné en amont du dispositif de pompage sur lequel des espèces chlorées se déposent à partir des chlorosilanes radicalaires présents dans le mélange gazeux. Dans le texte, les expressions « en amont » et « en aval » s’entendent par rapport au sens d’écoulement de la phase gazeuse résiduelle ou du mélange gazeux. Le condenseur est à une température suffisamment basse pour permettre la condensation d’espèces chlorées à partir des chlorosilanes radicalaires du mélange gazeux. Les espèces chlorées sont ainsi regroupées au niveau du condenseur et n’atteignent pas le dispositif de pompage. Le condenseur constitue une partie amovible du reste du système, permettant ainsi un lavage aisé et complet de ces espèces. La présence du condenseur n’est néanmoins pas obligatoire. En effet, dans le cas où la pompe fonctionne dans un milieu liquide (ex : pompe à anneau d’eau), les chlorosilanes sont solubilisés, sans former de polymères pyrophoriques. Dans un exemple de réalisation, la fraction volumique de gaz diluant dans le mélange gazeux est supérieure ou égale à 50%. Une telle caractéristique permet de réduire davantage encore le risque de formation d’espèces pyrophoriques en aval de l’enceinte réactionnelle. Dans un exemple de réalisation, le gaz diluant comprend du diazote. L’invention vise également une installation pour le traitement d’une phase gazeuse résiduelle comprenant des chlorosilanes radicalaires, comprenant au moins : - un four d’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium comprenant une enceinte réactionnelle dans laquelle un procédé d’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium est destiné à avoir lieu, - une conduite de pompage en communication avec une de l’enceinte réactionnelle munie d’un canal d’introduction d’un gaz diluant et d’un élément de chauffage configuré pour maintenir l’intérieur de la conduite de pompage à une température supérieure ou égale à 100°C, et - un dispositif de pompage en communication avec l’enceinte réactionnelle et la conduite de pompage. L’installation est apte à la mise en œuvre du procédé décrit plus haut. Dans un exemple de réalisation, l’installation comprend en outre un condenseur amovible positionné en amont du dispositif de pompage et en communication avec la conduite de pompage, ledit condenseur amovible étant apte à permettre le dépôt d’espèces chlorées à partir des chlorosilanes radicalaires. La figure 1 est une représentation schématique et partielle du traitement de la phase gazeuse résiduelle dans le cadre d’un exemple de procédé selon l’invention. La figure 2 illustre une succession de réactions possibles dans l’enceinte réactionnelle. La figure 3 illustre la dilution des chlorosilanes radicalaires. La figure 4 illustre la désactivation de la condensation d’espèces chlorées dans la conduite de pompage. La figure 5 illustre le dépôt d’espèces chlorées dans le condenseur. La figure 6 illustre le lavage des dépôts d’espèces chlorées. On a représenté à la figure 1 un four 1 pour l’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium. Le four 1 comprend une enceinte réactionnelle 3 délimitée par une paroi qui définit une zone utile destinée à recevoir des structures poreuses (non représentées) dans la porosité desquelles du carbure de silicium est destiné à être déposé à partir d’une phase gazeuse par technique d’infiltration chimique en phase vapeur. Les structures poreuses peuvent être des préformes fibreuses comprenant des fils céramiques et/ou carbone. Les préformes fibreuses peuvent être tissées, par exemple être obtenues par tissage tridimensionnel notamment à armure interlock. Les préformes fibreuses sont destinées à former le renfort fibreux d’une pièce en matériau composite à matrice céramique à obtenir. Les fils des préformes fibreuses traitées par la phase gazeuse peuvent être revêtus d’une interphase, par exemple en nitrure de bore ou carbone pyrolytique. Le four 1 comprend un organe de chauffage (non représenté) apte à chauffer l’enceinte réactionnelle 3. L’organe de chauffage peut comprendre un suscepteur couplé avec un inducteur, le chauffage de l’enceinte réactionnelle 3 étant assuré par radiation du suscepteur chauffé par couplage inductif avec l’inducteur. La phase gazeuse comprend un précurseur de carbure de silicium sous forme gazeuse, notamment du méthyltrichlorosilane (MTS, CH 3 SiCl 3 ). Un dispositif de pompage P assure une circulation de la phase gazeuse dans le four et maintient la pression réduite voulue à l’intérieur de celui-ci. La phase gazeuse est aspirée au travers de l’enceinte réactionnelle 3 par le dispositif de pompage P. Le système d’injection de la phase gazeuse dans le four, la zone utile et le dispositif de pompage correspondent à des éléments connus en soi, ne nécessitant pas d’être détaillés davantage ici. A titre illustratif, la température imposée en zone utile peut être comprise entre 900°C et 1200°C, et la pression imposée en zone utile peut être comprise entre 1 mbar et 100 mbar. En zone utile, le précurseur de carbure de silicium forme des intermédiaires réactionnels aboutissant à la formation de carbure de silicium à l’intérieur de la porosité des structures poreuses traitées. En particulier, le précurseur forme des chlorosilanes radicalaires, par exemple des radicaux SiCl 3 ● . On fournit à la figure 2, à titre illustratif, la succession de réactions produisant le carbure de silicium à partir d’un précurseur MTS dans la zone utile. La phase gazeuse résiduelle GR ayant traversé l’enceinte réactionnelle 3 est évacuée de celle-ci au travers d’une sortie 5 et pénètre directement ensuite dans une conduite 8 de pompage s’étendant depuis la sortie 5. La conduite de pompage 8 qui est située à l’extérieur de l’enceinte réactionnelle 3 est maintenue en température, à une température suffisante pour éviter la condensation des chlorosilanes radicalaires sur la paroi. Cette température peut être supérieure ou égale à 100°C, par exemple comprise entre 100°C et 350°C. En particulier, la température de la conduite 8 de pompage est inférieure à celle imposée dans l’enceinte réactionnelle 3. La conduite de pompage 8 est maintenue en température par un élément de chauffage 10, par exemple un élément de chauffage résistif. L’élément de chauffage 10 peut être sous la forme d’un matelas chauffant, comme illustré. Comme illustré, l’élément de chauffage 10 peut s’étendre sur sensiblement toute la longueur de la conduite 8 de pompage et tout autour de celle-ci. En particulier, l’élément de chauffage 10 peut s’étendre depuis la sortie 5 de l’enceinte réactionnelle 3, comme illustré. La conduite 8 de pompage est munie d’un canal d’introduction 12 au travers duquel un gaz diluant GD est introduit dans celle-ci. Le canal d’introduction 12 est en communication avec une source de gaz diluant GD (non représentée), par exemple avec un réservoir contenant le gaz diluant GD. Le canal d’introduction 12 peut être espacé de la sortie 5 de l’enceinte réactionnelle 3 d’une distance d inférieure ou égale à 5 mètres, par exemple comprise entre 0,5 mètre et 1 mètre. Le gaz diluant GD se mélange à la phase gazeuse résiduelle GR, ce mélange ayant lieu à une température comprise entre 100°C et 350°C. Le gaz diluant GD se mélange avec la phase gazeuse résiduelle GR à l’extérieur de l’enceinte réactionnelle 3. Le gaz diluant GD ne pénètre pas dans l’enceinte réactionnelle 3 et en particulier ne vient pas en contact avec les structures poreuses densifiées dans l’enceinte réactionnelle 3. Le gaz diluant GD peut comprendre l’un au moins du diazote ou de l’argon. Le gaz diluant GD peut être inerte vis-à-vis de la phase gazeuse résiduelle GR. Comme indiqué plus haut, le gaz diluant GD permet d’espacer les chlorosilanes radicalaires afin d’éviter leur polymérisation et la formation d’un polymère pyrophorique. Le mélange gazeux M obtenu après mélange avec le gaz diluant GD peut comporter une fraction volumique en gaz diluant GD supérieure ou égale à 50%, le reste pouvant être formé par la phase gazeuse résiduelle GR sortant de l’enceinte réactionnelle 3. Le cas d’une dilution des chlorosilanes radicalaires par du diazote est illustrée à la figure 3. Le mélange gazeux M est maintenu à une température supérieure ou égale à 100°C dans la conduite 8, par exemple comprise entre 100°C et 350°C. La température du mélange M dans la conduite de pompage 8 peut être sensiblement constante. Le maintien en température du mélange gazeux M permet d’éviter la condensation d’espèces chlorées, de formule SiClx comme illustré à la figure 4. Un condenseur 20 est en aval de l’enceinte réactionnelle 3 et de la conduite de pompage 8. Le condenseur 20 est en amont du dispositif de pompage P. Dans l’exemple illustré, avant d’être aspiré par le dispositif de pompage P, le mélange gazeux M s’écoule jusqu’à un condenseur 20 refroidi, offrant de la surface pour favoriser la condensation des espèces chlorées SiClx. Le condenseur 20 peut être à une température inférieure ou égale à 30°C. La condensation forcée en condenseur est illustrée à la figure 5 où les chlorosilanes radicalaires forment des dépôts SiClx. Le condenseur 20 est conçu pour un démontage et un nettoyage facile. Le condenseur 20 est séparable de la conduite 8 et du dispositif de pompage P. Le nettoyage des espèces chlorées condensées peut être effectué avec de l’eau, ou avec des solvants plus aisés à sécher comme l’éthanol, voire anhydres comme l’acétone. Le fait que le condenseur soit amovible permet d’assurer un nettoyage efficace et total des espèces condensées, le condenseur pouvant par exemple immergé dans le liquide de nettoyage pour réaliser une hydrolyse complète des dépôts avant une nouvelle utilisation. Le lavage des dépôts est illustré à la figure 6. On vient de décrire un exemple où un condenseur 20 est présent entre la conduite 8 et le dispositif de pompage P mais on ne sort pas du cadre de l’invention si le condenseur est omis, la conduite de pompage s’étendant jusqu’au dispositif de pompage P. Le dispositif de pompage P peut dans ce cas fonctionner dans un milieu liquide, par exemple être une pompe à anneau liquide. L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes. Procédé de traitement d’une phase gazeuse résiduelle (GR) comprenant des chlorosilanes radicalaires issue d’un procédé d’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium ayant eu lieu dans une enceinte réactionnelle (3), la phase gazeuse résiduelle étant entraînée à l’extérieur de l’enceinte réactionnelle par un dispositif de pompage (P), caractérisé en ce que la phase gazeuse résiduelle traverse à la sortie de l’enceinte réactionnelle une conduite de pompage (8) dans laquelle un gaz diluant (GD) est introduit de sorte à se mélanger à la phase gazeuse résiduelle et former ainsi un mélange gazeux (M), et dans laquelle le mélange gazeux est maintenu à une température supérieure ou égale à 100°C. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le mélange gazeux (M) traverse un condenseur amovible (20) positionné en amont du dispositif de pompage (P) sur lequel des espèces chlorées se déposent à partir des chlorosilanes radicalaires présents dans le mélange gazeux. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fraction volumique de gaz diluant (GD) dans le mélange gazeux (M) est supérieure ou égale à 50%. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le gaz diluant (GD) comprend du diazote. Installation pour le traitement d’une phase gazeuse résiduelle (GR) comprenant des chlorosilanes radicalaires, comprenant au moins : - un four (1) d’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium comprenant une enceinte réactionnelle (3) dans laquelle un procédé d’infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium est destiné à avoir lieu, - une conduite de pompage (8) en communication avec une sortie de l’enceinte réactionnelle munie d’un canal d’introduction (12) d’un gaz diluant (GD) et d’un élément de chauffage (10) configuré pour maintenir l’intérieur de la conduite de pompage à une température supérieure ou égale à 100°C, et - un dispositif de pompage (P) en communication avec l’enceinte réactionnelle et la conduite de pompage. Installation selon la revendication 5, comprenant en outre un condenseur amovible (20) positionné en amont du dispositif de pompage (P) et en communication avec la conduite de pompage (8), ledit condenseur amovible étant apte à permettre le dépôt d’espèces chlorées à partir des chlorosilanes radicalaires.