Le carbone renforcé de fibres de carbone (C/C) est un matériau composite constitué de fibres de carbone renforcées dans une matrice de carbone vitreux ou de graphite. Il est surtout connu comme le matériau utilisé dans les véhicules hypersoniques et les orbiteurs des navettes spatiales, qui naviguent à des vitesses supérieures à Mach 5. Depuis les années 1970, il est également utilisé dans le système de freinage des voitures de course de Formule 1. Même si le C/C présente d’excellentes propriétés mécaniques à hautes températures et atmosphères inertes, il manque de résistance à l’oxydation dans ces conditions, ce qui limite sa généralisation.
Les chercheurs ont découvert que les céramiques à ultra-haute température (UHTC), qui comprennent des carbures et des diborures de métaux de transition, présentent une bonne résistance à l’oxydation. Dans des études antérieures, l’infiltration d’alliages de zirconium-titane (Zr-Ti) a montré des résultats prometteurs pour améliorer la résistance à la chaleur des composites à matrice UHTC renforcés de fibres de carbone (C/UHTCMC). Cependant, leur utilisation à des températures élevées (>2000 oC) n’est pas connu.
Dans ce contexte, un groupe de chercheurs japonais a évalué l’utilité potentielle des C/UHTCMC infiltrés dans un alliage Zr-Ti à des températures supérieures à 2000 oC. Leur étude, dirigée par le professeur agrégé junior Ryo Inoue de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), a été publiée dans le Journal de la science des matériaux et mis en ligne le 27 octobre 2022. L’équipe de recherche était composée de M. Noriatsu Koide et du professeur adjoint Yutaro Arai de TUS, du professeur Makoto Hasegawa de l’Université nationale de Yokohama et du Dr Toshiyuki Nishimura de l’Institut national des sciences des matériaux.
Parlant de la motivation derrière leurs études, “La recherche est une extension de la recherche et du développement de la céramique et des matériaux composites à base de céramique. Ces dernières années, nous avons reçu des demandes de plusieurs fabricants d’industries lourdes concernant des matériaux pouvant être utilisés à des températures supérieures à 2000 °C. Nous avons également commencé à travailler avec ces fabricants pour développer de nouveaux matériaux », dit le professeur Inoue.
Le C/UHTCMC a été fabriqué par infiltration à l’état fondu, qui est le moyen le plus rentable de fabriquer ces matériaux. Pour étudier l’applicabilité de ce matériau, trois types de C/UHTCMC ont été fabriqués avec trois compositions d’alliage différentes. Les trois compositions d’alliage utilisées avaient des rapports atomiques variables de Zr:Ti. Pour caractériser la résistance à la chaleur, l’équipe a utilisé une méthode appelée essai en soufflerie à l’arc. Cette méthode consiste à exposer le matériau à un flux d’air à enthalpie extrêmement élevée à l’intérieur d’un tunnel, similaire aux conditions que connaissent les engins spatiaux lorsqu’ils rentrent dans l’atmosphère.
L’équipe a découvert que la quantité de Zr dans l’alliage avait un fort effet sur la dégradation du composite à toutes les températures. Ceci est dû à la préférence thermodynamique pour l’oxydation des carbures riches en Zr par rapport aux carbures riches en Ti. De plus, les oxydes de Zr et de Ti formés sur la surface composite empêchaient une oxydation supplémentaire, et la composition des oxydes dépendait de la composition des alliages infiltrés. L’analyse thermodynamique a révélé que les oxydes formés sur la surface composite étaient composés de ZrO2ZrTiO4et TiO2 solutions solides.
À des températures supérieures à 2000 oC, l’épaisseur et le poids des échantillons augmentaient avec la teneur en Zr des composites après les essais en arc-soufflerie. L’équipe a également observé que le point de fusion des oxydes de surface augmentait à mesure que la teneur en Zr augmentait. Pour des températures supérieures à 2600 oC, les seuls oxydes formés étaient en phase liquide, nécessitant une conception thermodynamique de la composition de la matrice pour éviter la récession des composites UHTC.
“Nous avons étudié avec succès la dégradation du C/UHTCMC à des températures supérieures à 2000 oC par analyse thermodynamique. Nous avons également montré que la conception de la matrice doit être modifiée pour éviter la dégradation des composites. Nos recherches ont le potentiel de contribuer à la réalisation d’avions de passagers ultra-rapides, de véhicules de rentrée et d’autres véhicules hypersoniques », conclut le professeur Inoue.
Ces résultats pourraient avoir des conséquences importantes sur la production d’orbiteurs de navette spatiale avancés et de véhicules à grande vitesse.
Source de l’histoire :
Matériaux fourni par Université des sciences de Tokyo. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
