Carreaux en carbure de silicium à haute performance pour usage industriel

Les céramiques de carbure de silicium offrent un large éventail de propriétés, telles que la résistance aux températures élevées, une résistance supérieure à l'usure, une faible dilatation thermique et une résistance à la corrosion chimique - des qualités qui les rendent indispensables dans des industries telles que la pétrochimie, la mécanique et l'électricité, la protection de l'environnement, l'aérospatiale et l'électronique de l'information.

Les réfractaires en carbure de silicium liés à des oxydes sont largement utilisés dans les chambres de combustion des installations de valorisation énergétique des déchets (WtE), où ils doivent résister à des contraintes thermochimiques sévères qui compromettent leurs performances.

Résistance à la corrosion

Le carbure de silicium présente une résistance à la corrosion supérieure à celle des matériaux traditionnels tels que l'acier et les alliages d'aluminium, ce qui en fait le matériau idéal pour les applications industrielles impliquant des acides forts, des bases ou des gaz corrosifs. Dans ces environnements, les métaux traditionnels se corrodent souvent avec le temps, ce qui réduit leur fonctionnalité ou entraîne des défaillances. Le carbure de silicium, quant à lui, reste très résistant, ce qui le rend indispensable dans des industries telles que la métallurgie, la fabrication du verre, la céramique, etc.

Les réfractaires façonnés à liant d'oxyde sic sont largement utilisés dans les usines de valorisation énergétique des déchets (WtE) pour assurer un transfert thermique efficace des gaz de combustion et protéger les tubes de chaudière à paroi d'eau, mais ils sont endommagés par les phases de laitier et la formation de chlorure alcalin gazeux. Bien que plusieurs auteurs aient détaillé ces espèces corrosives et leurs interactions thermochimiques avec les revêtements réfractaires, il reste des lacunes dans la compréhension de leurs mécanismes d'endommagement. C'est pourquoi les chercheurs ont étudié diverses méthodes de frittage et divers additifs sur la microstructure et les propriétés des sic frittés sans pression dans des environnements sans pression.

Résistance à l'usure

La céramique de carbure de silicium est l'une des céramiques techniques les plus résistantes. Elle se caractérise par une solidité et une durabilité supérieures, ainsi que par une résistance à la corrosion. Les techniques de frittage permettent de produire ce matériau céramique pour de nombreuses utilisations industrielles telles que les buses de grenaillage de précontrainte ou les composants de joints rotatifs.

Ce matériau se présente sous deux formes : le carbure de silicium lié par réaction et le carbure de silicium fritté sans pression (p-SSIC). Les différentes méthodes de fabrication modifient considérablement sa microstructure finale, ce qui se traduit par des niveaux de performance différents dans chaque cas.

Le P-SSIC partage la même structure cristalline que le diamant, ce qui le rend extrêmement résistant et durable. Utilisés dans une série d'applications industrielles en tant que matériau abrasif, ses cristaux tétraédriques présentent une dureté de Mohs élevée et une excellente stabilité, ce qui leur confère une résistance à l'usure exceptionnelle. La céramique P-SSIC peut même résister à des températures que les céramiques monolithiques ne peuvent pas supporter, comme celles que l'on trouve dans les rotors des moteurs à réaction et les tuyères des fusées, ainsi qu'à la corrosion chimique causée par les acides ou les acides fluorhydriques ou les acides fluorhydriques.

Résistance aux chocs

La céramique de carbure de silicium présente une incroyable résistance aux chocs. Ce matériau présente une résistance à la compression et une rigidité spécifique supérieures à celles des CMC en oxyde ou en fibre de carbone et de la plupart des superalliages métalliques, tout en étant adapté aux environnements à haute température, ce qui le rend approprié pour les applications aérospatiales telles que les buses de grenaillage de précontrainte ou les composants des séparateurs à cyclone.

Des études indiquent que les matériaux structurels non oxydés, comme les systèmes CMC SiC/SiC, peuvent supporter des températures allant jusqu'à 1300 degrés Celsius lorsqu'ils sont renforcés par des fibres de carbure de silicium tissées et laminées quasi-isotropes à faible module, comme le Hi-Nicalon, sans que leurs propriétés mécaniques ne se dégradent [142]. Ces résultats confirment que les CMC SiC/SiC fabriqués par infiltration chimique en phase vapeur (CVI) sont plus performants que leurs homologues monolithiques en termes de comportement au fluage et à la fatigue.

Les CMC SiC/SiC renforcés avec du Hi-Nicalon ont également démontré une résistance à la température supérieure à celle des fibres de carbone ou des céramiques SiC monolithiques [129]. Cette stabilité thermique et cette résistance à la rupture supérieures peuvent être attribuées à leur densité et à leur taux d'expansion thermique inférieurs à ceux des céramiques monolithiques.

Résistance à la température

Le carbure de silicium est capable de résister à des températures extrêmement élevées sans se dégrader, ce qui en fait un excellent choix de matériau pour les alimentations électriques, les onduleurs et les équipements de fabrication industrielle tels que les robots. Il est également possible d'améliorer l'efficacité énergétique, la fiabilité et les performances en tirant parti de son excellente résistance thermique et de sa tolérance aux dommages par rapport aux superalliages métalliques conventionnels, aux CMC carbone/oxyde ou aux céramiques monolithiques [129,132]. Le carbure de silicium renforcé par des fibres SiC à faible module comme le Hi-Nicalon est utilisé dans un processus d'infiltration chimique à la vapeur pour créer des composites à matrice carbiditique de silicium sans oxyde (CMC SiC/SiC) avec des propriétés mécaniques améliorées qui comprennent une plus grande ténacité à la rupture, un meilleur comportement au fluage et à la fatigue, une plus grande tolérance aux contraintes par rapport à leurs homologues monolithiques, ainsi que la résistance à des conditions de contraintes extrêmes pendant de longues périodes [133,134]. [133,134]

Quatre matériaux principaux sont utilisés pour créer les CMC : le carbone, le carbure de titane, le carbure de tungstène et les matrices liées au nickel/chrome.