Carreaux en carbure de silicium fiables pour les applications lourdes

Le carbure de silicium est un matériau exceptionnel qui se distingue par sa dureté et sa résistance chimique hors du commun, ce qui en fait un excellent choix pour les environnements industriels soumis à une abrasion fréquente. De plus, son faible coefficient de dilatation thermique réduit le risque de chocs.

Les panneaux de céramique (également appelés « carreaux ») constituent l'élément de soutien principal dans de nombreuses structures de fours, y compris les fours à carbure de silicium. Les panneaux en carbure de silicium permettent de réaliser d'importantes économies de poids et d'énergie par rapport à leurs équivalents en cordiérite.

Résistance aux températures élevées

Le carbure de silicium est un matériau céramique extrêmement résistant, conçu pour supporter des températures élevées, les chocs thermiques, les variations rapides de température et les rayonnements – des propriétés qui en font un matériau idéal pour les applications aérospatiales telles que les engins spatiaux. De plus, la légèreté du carbure de silicium permet de réduire la quantité de carburant nécessaire pour atteindre l'orbite ou d'autres planètes.

Le carbure de silicium lié au nitrure (NB SiC) résiste bien aux environnements extrêmes grâce à sa résistance supérieure à la température et au fluage, ainsi qu’à sa ténacité à la rupture, à sa résistance au fluage et à l’oxydation, et à sa stabilité chimique – ces caractéristiques lui permettent de conserver sa résistance structurelle même sous contrainte [129]. De plus, sa densité plus faible, sa tolérance aux dommages plus élevée et sa résistance supérieure surpassent celles des superalliages métalliques, des CMC oxyde/oxyde ou des céramiques monolithiques en SiC [129].

Les carreaux en carbure de silicium constituent depuis longtemps un choix privilégié des ingénieurs aérospatiaux en raison de leur résistance aux températures élevées et au frottement. Grâce à leur dureté et à leur faible densité, les carreaux NB SiC sont souvent utilisés pour la fabrication d'avions hypersoniques, de cônes de nez de missiles et de composants de véhicules spatiaux.

Excellente résistance chimique

La résistance chimique est essentielle pour les matériaux destinés à diverses applications. Elle garantit que les pièces imprimées restent fonctionnelles malgré une exposition prolongée à des produits chimiques agressifs tels que les solutions de nettoyage, les réactifs ou les lingettes imprégnées d'alcool.

Une forte résistance chimique nécessite plusieurs caractéristiques essentielles, notamment une faible porosité, un gonflement et une dégradation minimes, de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu'une durabilité même en cas de contraintes mécaniques et de cycles thermiques. Pour être véritablement résistant aux produits chimiques, un matériau doit présenter la combinaison de ces éléments.

Les composites à matrice céramique (CMC) à base de PEEK et de carbure de silicium (SiC) offrent une excellente résistance chimique. Les CMC à base de carbure de silicium avec liant au nickel présentent une résistance à l'usure, au fluage et aux rayonnements supérieure à celle d'autres céramiques à base de SiC, telles que les CMC oxyde/oxyde ou le SiC monolithique [129]. Les métaux ont une densité et un poids plus élevés que les CMC ; ils possèdent une résistance à la traction, une tolérance aux dommages et une résistance thermique exceptionnelles, et présentent une ténacité supérieure à celle de tout autre matériau CMC. De plus, les CMC sont plus légers et ont une densité inférieure à celle des métaux ; ils offrent donc davantage d’avantages par rapport à ces derniers en termes de propriétés physiques et de potentiel d’application. Les CMC SiC/SiC à liant nickel peuvent également être imprégnés et densifiés sans recourir aux étapes traditionnelles de moulage par injection (MI), ce qui simplifie la production [129]. Par ailleurs, ces composites ont démontré une résistance au fluage et à l’oxydation supérieure à celle des superalliages métalliques utilisés dans les moteurs aéronautiques [131, 132].

Haute résistance à l'usure

Les composites à matrice céramique en carbure de silicium offrent une résistance à l'abrasion supérieure, ce qui signifie qu'ils peuvent résister à des particules ou à des surfaces dures sans subir de dommages dus à l'usure. Ces surfaces solides possèdent une résistance à la compression et une rigidité spécifique exceptionnelles ; deux propriétés mécaniques qui permettent d'évaluer la capacité d'un matériau à supporter des charges sans se fissurer sous l'effet des contraintes. Ces matériaux sont également très résistants aux chocs thermiques, ce qui signifie qu'ils peuvent supporter des variations brusques de température sans se fissurer ni se rompre. Le carbure de silicium lié par nitrure (NB SiC) peut être produit par un procédé appelé « nitruration », qui consiste à chauffer un mélange de grains de NB SiC avec un composé azoté, tel que le nitrure de silicium ou l’ammoniac, afin de créer un environnement propice à la liaison entre les grains, ce qui donne des matériaux denses et résistants.

On ajoute souvent du nickel au carbure de silicium lié par nitrure afin d’augmenter sa ténacité et sa résistance à la rupture, ce qui se traduit par une ténacité et une tolérance aux dommages supérieures à celles des CMC à base de fibres de carbone et d’oxydes/oxydes, des céramiques monolithiques en SiC [129] ou d’autres métaux monolithiques tels que le WC-Co [131]. De plus, le nickel offre une résistance aux températures bien supérieure à celle des métaux monolithiques tels que le WC-Co

Faible densité

La faible densité du carbure de silicium en fait un matériau idéal pour les applications aérospatiales de haute performance. Les avions doivent être légers afin de minimiser la consommation de carburant, tout en résistant aux forces générées pendant le vol ainsi qu’aux impacts avec les cibles. De plus, la dureté du carbure de silicium en fait un matériau adapté à la fabrication des ogives de missiles, qui doivent résister à la chaleur de frottement ainsi qu’aux impacts avec les cibles.

Le carbure de silicium lié par nitrure (NB SiC) présente une densité inférieure à celle du SiC fritté, ce qui le rend plus adapté aux applications hautes performances. Ce matériau peut être produit selon de nombreux procédés de fabrication, notamment le liage par réaction et la silicisation du SiC, du carbone et du silicium métallique.

Lors d'un tir de projectile en acier de 12 mm de diamètre, des tomographies par tomodensitométrie (TDM) haute fidélité ont été utilisées pour analyser les performances balistiques d'une tuile céramique circulaire en SiC de type NB précontrainte, dont les performances balistiques ont été évaluées à l'aide d'un test de morphologie des trous de cône hertzien utilisant la précontrainte. Les résultats de la tomodensitométrie ont montré comment la précontrainte influençait la formation du cône de Hertz : l’échantillon C2, non confiné, présentait une formation de cône limitée, tandis que l’échantillon précontraint C4 présentait une formation de cône plus endommagée, ce qui suggère que le confinement pourrait améliorer les performances balistiques globales.