Quelles sont les propriétés du carbone SiC ?

Le carbure de silicium (SiC) est une céramique technique qui présente des propriétés mécaniques et d'ablation supérieures, mais dont la fabrication est extrêmement coûteuse et longue.

L'infiltration de silicium fondu dans une préforme en fibre de carbone poreuse permet de créer un composite C/C-SiC avec une distribution graduelle de la matrice SiC.

Densité

La densité du sicarbone est de 1,84 g/cm3, plus élevée que celle du carbure de silicium, mais plus faible que celle de la plupart des céramiques. Il convient donc aux applications structurelles nécessitant une résistance à haute température avec un coefficient de dilatation thermique minimal, une fragilité moindre que de nombreuses céramiques et une capacité de rentrée dans l'atmosphère.

Les composites carbone-carbone peuvent être synthétisés en utilisant des fibres de carbone et des liants carbonés tels que le coke ou le brai, qui sont ensuite soumis à un frittage par plasma étincelant afin de les fritter et de densifier leur revêtement de pyrocarbone sur les fibres de carbone pour former une interface, qui peut ensuite être infiltrée avec des matériaux matriciels réactifs tels que le SiC pour produire des composites carbone/SiC.

Les diagrammes XRD des échantillons Cf/SiC CMC produits tels que fabriqués ont montré les pics caractéristiques du b-SiC, ainsi que certains pics amorphes attribués aux composites carbone-carbone tels que ces composites carbone-carbone peuvent réduire les incertitudes associées aux courbes masse-rayon extrapolées à partir des données de basse pression pour les planètes en SiC pur, en offrant une frittabilité supérieure, des propriétés mécaniques thermiques et à température élevée, une bonne frittabilité, une bonne frittabilité ainsi que d'excellentes propriétés thermomécaniques permettant une bonne frittabilité ainsi que des propriétés mécaniques thermiques et à température élevée. Leur production permet de réduire davantage les incertitudes liées à l'extrapolation à partir des données à basse pression pour les planètes en SiC pur, en fournissant des composites carbone-carbone robustes.

La force

La résistance est mesurée en termes de force que le carbone sic peut supporter avant de se briser ou de se bosseler, et peut être évaluée en étirant un morceau d'acier jusqu'à ce qu'il se brise ou en le frappant avec un marteau jusqu'à ce que des bosses apparaissent. La résistance à la traction et la limite d'élasticité peuvent varier considérablement en fonction de facteurs tels que la teneur en carbone, le processus de fabrication et d'autres considérations.

La résistance à la flexion du composite Cf/SiC est nettement supérieure à celle de la matrice C pure en raison de la résistance élevée et des modules de la matrice SiC et de la structure sandwich. Pour augmenter encore la résistance à la flexion de cette combinaison, l'ajustement du potentiel zêta du revêtement PCS peut également s'avérer utile.

Le revêtement PCS a empêché les fibres de carbone de réagir avec le gaz SiO produit lors des réactions entre la matrice SiC et les additifs de frittage, ce qui a permis d'éviter efficacement la détérioration de la résistance lors des essais mécaniques à température élevée. Les essais d'ablation à cinq cycles montrent également que les surfaces de rupture conservent des faisceaux de fibres de carbone intacts.

Solidité

Le carbone sic est un matériau incroyablement résistant, qui convient donc aux revêtements de protection et aux outils de coupe qui doivent résister à des contraintes mécaniques intenses sans se déformer. Selon les mesures de l'échelle de dureté de Mohs, le carbone sic occupe la troisième place. Seuls le diamant et le carbure de bore le surpassent. La ténacité du carbone sic en fait également un matériau respectueux de l'environnement.

L'acier au carbone est défini par sa résistance à la traction et sa limite d'élasticité. La résistance à la traction correspond à la force qui peut être supportée avant de se rompre ou de s'étirer, par exemple en pliant l'acier jusqu'à ce qu'il se brise ou en le bosselant avec un marteau. La limite d'élasticité, quant à elle, mesure la résistance à l'écrasement sous l'effet de chocs répétés contre des objets durs tels que des rochers ou des racines d'arbres - ou toute autre force d'ailleurs !

Les défauts interstitiels VC et VSi du SiC réduisent considérablement ses constantes élastiques, tandis que son défaut antisite, CSi, a des effets moindres, ce qui explique que sa température de Debye soit considérablement inférieure à celle du SiC idéal ; en outre, il présente également des coefficients de dilatation thermique inférieurs à ceux du ZrC et du TiC en raison de liaisons chimiques plus faibles et de structures cristallines différentes.

Conductivité thermique

La conductivité thermique est une propriété inestimable pour les ingénieurs, car elle mesure le transfert de chaleur par les matériaux conducteurs. La conductivité thermique est exprimée en puissance par unité de longueur et de température à l'aide d'une équation telle que L / k (W/m-K). Avec la convection et le rayonnement, la conductivité thermique est l'une des trois méthodes qui permettent de transférer la chaleur d'une région à l'autre à l'intérieur d'un matériau.

Les matériaux denses tendent à être plus thermoconducteurs que les matériaux moins denses en raison des atomes plus étroitement emballés qui peuvent vibrer, déplaçant l'énergie thermique dans le matériau plus facilement par le biais des phonons et la déplaçant plus rapidement.

La conductivité thermique dépend de nombreuses variables, notamment de la phase (solide, liquide ou gazeuse), de la vitesse d'écoulement de l'air et de la pression. En outre, de nombreuses substances présentent une anisotropie thermique, c'est-à-dire que les différents axes cristallins présentent des gradients thermiques différents. L'argent est beaucoup plus thermoconducteur que le diamant, car les électrons de valence qui se déplacent librement sont capables de conduire efficacement l'énergie thermique.

Résistance à l'oxydation

Le sicarbone est connu pour sa grande résistance à la dégradation lorsqu'il est exposé à une atmosphère oxydante en raison de son excellente stabilité thermique, ce qui permet de l'utiliser comme isolant dans les applications aérospatiales où des températures élevées doivent être tolérées sans dommage.

La résistance du carbone sic à l'oxydation dépend à la fois de la concentration d'oxygène à sa surface et de la vitesse de réaction, en particulier dans des conditions d'oxygène sec où le rapport entre la constante de vitesse de réaction et le coefficient de diffusion est relativement faible, ce qui signifie qu'une oxydation contrôlée par la diffusion en phase gazeuse se produit et produit un indice de Sherwood élevé.

La résistance à l'oxydation peut être améliorée par l'incorporation de matériaux matriciels en carbure de silicium (C/SiC). Cela peut être réalisé soit par infiltration de poudre et pressage à chaud (PIP), soit par infusion de SiC dans la matrice de fibre de carbone via une infiltration de boue suivie d'une pyrolyse pour créer des composites C/SiC avec des teneurs en SiC allant de 5 à 20 vol.%. Des essais d'oxydation sous contrainte ont été menés sur quatre échantillons de C/SiC à 1454 degrés Celsius avec des contraintes comprises entre 69 et 172 MPa. Les résultats ont montré que les échantillons enrichis en bore avaient des durées de vie significativement plus longues que leurs homologues non enrichis, à la fois à 1454 degrés Celsius et à la fois à 69 MPa.