Le rôle des fibres de carbure de silicium dans le renforcement des matériaux composites

Les fibres inorganiques sont des fibres courtes de dimensions micro à nanométriques formées par la croissance de cristaux uniques de haute pureté. Avec une résistance proche de celle des liaisons atomiques, des sections transversales complètes, des défauts structurels minimaux et des rapports d'aspect élevés, ces fibres sont couramment utilisées pour améliorer les propriétés physiques et mécaniques des polymères et des composites.

Parmi de nombreux matériaux inorganiques capables de former des fibrilles, carbure de silicium (SiC) se distingue comme exemple important. En tant que céramique liée covalent, le carbure de silicium présente des propriétés globales excellentes, incluant une grande résistance, une conductivité thermique et électrique élevée, une dureté extrême, une résistance au fluage, à l'usure et à la corrosion, une résistance à l'oxydation ainsi qu'une stabilité thermique remarquable.

Lorsqu'il est formé en fibrilles, le SiC présente deux structures cristallines : type α et type β , les fibrilles β-SiC offrant la dureté, le module, la résistance à la traction et la résistance thermique les plus élevées parmi les fibrilles. Ces fibrilles sont très rentables et facilement compatibles avec divers matériaux matriciels, ce qui en fait l'objet de recherches mondiales étendues.

Applications des fibrilles de carbure de silicium

En tant que matériau de renforcement haute performance, Les fibrilles de SiC améliorent la ténacité et la résistance des composites par des mécanismes tels que la déviation des fissures, le pontage des fissures, l'arrachement des fibrilles et la rupture des fibrilles. Actuellement, elles sont largement utilisées dans matrice métallique , matrice céramique , et matrice résine composites.

1. Composites à matrice métallique renforcée (CMM)

Les composites à matrice métallique utilisent généralement les types de métaux suivants comme matrices :

• Aluminium (Al) et magnésium (Mg) : léger, grande résistance spécifique.

• Titane (Ti) : point de fusion élevé, stabilité structurale excellente, performances élevées à haute température.

• Fer (Fe) et nickel (Ni) : résistance élevée à la chaleur, bonne perméabilité magnétique, faible coercivité.

• Cuivre (Cu) , argent (Ag) , et ours (Au) : excellente conductivité, résistance à la corrosion.

Composites à matrice métallique renforcés par des fibres de carbure de silicium présentent des améliorations remarquables :

• Composites SiCW/Cu : résistance à la traction améliorée et propriétés équilibrées.

• Composites SiCW/Al : rigidité spécifique, résistance à la traction et à l'usure nettement améliorées, dilatation thermique réduite.

• Alliage MB15 avec SiCW : dureté et vitesse de vieillissement accrues.

2. Renforcement Composites à matrice céramique (CMCs)

Bien que les céramiques soient connues pour leur résistance aux hautes températures, leur résistance à la corrosion et leurs excellentes propriétés mécaniques à température élevée, leur fragilité intrinsèque limite leurs applications plus étendues. L'utilisation de fibres cristallines (whiskers) pour renforcer les céramiques constitue l'une des méthodes les plus efficaces pour surmonter ces limitations.

Méthodes courantes de fabrication pour les céramiques renforcées par des fibres cristallines (whiskers) de carbure de silicium (SiC) incluent :

• Mise sous presse

• Pression isostatique chaude

• Frittage sans pression

• Infiltration vapeur chimique (CVI)

• Frittage par plasma flash (SPS)

Exemples d'applications :

• Al₂O₃/Ti₃SiC₂ renforcé par SiCW composites : ténacité et résistance à la flexion améliorées.

• Céramiques ZrB₂ durcies par SiCW céramiques : résistance flexion et ténacité accrues.

3. Renforcement des composites à matrice résine

Des performances élevées composites à matrice résine connaissent une popularité croissante dans divers secteurs industriels en raison de leur faible densité, leur haut module spécifique et leur résistance, leur résistance à la fatigue, leur amortissement vibratoire, leur résistance à la corrosion ainsi que leur faible dilatation thermique.

Dans l'aérospatial, la réduction du poids est cruciale. Cependant, pour être utilisés comme éléments porteurs, les matériaux résineux doivent répondre à des exigences strictes en matière de performances telles que :

• Résistance à haute température

• Une force accrue

• Transparence et absorption des ondes

• Furtivité électromagnétique

Les fibres de carbure de silicium (SiC) sont une solution clé pour améliorer ces propriétés.

Un exemple notable est une étude menée par Guo Weiwei , qui a utilisé des fibres de carbure de silicium (SiC) pour renforcer des composites à base de résine thermodurcissable par UV via la stéréolithographie (SLA). En traitant la surface des fibres avec l'agent de couplage KH550, l'étude a révélé que l'ajout de fibres :

• Ralentissait la vitesse de durcissement UV

• Améliorait considérablement les performances mécaniques

• Avait un impact négatif minimal sur le processus de durcissement

• Fibres de SiC dans des composites métallo-céramiques à base de Ti(C,N) : amélioration globale des propriétés mécaniques.

Applications dans le monde réel

Aujourd'hui, Composites renforcés par des fibres de SiC sont utilisés dans diverses industries, notamment l'aérospatiale, la défense, l'automobile, le traitement chimique, l'électronique et les domaines biomédicaux.

Exemples incluent :

• Aérospatial : roulements, valves de système de carburant, batteries de postcombustion, antennes radar, dômes infrarouges, composants d'hélicoptères et d'avions à réaction.

• Automobile : injecteurs de carburant, moteurs à combustion interne à faibles émissions, composants de moteurs thermiques.

• Chimie et énergie : reformeurs catalytiques, buses d'étanchéité, pièces mécaniques résistant à l'usure.

• Électronique : condensateurs multicouches, capteurs de gaz et de pression.

• Biomédical : dents artificielles, os, articulations et matériaux d'implant.

Conclusion

Avec leurs performances exceptionnelles, Les fibres de SiC sont surnommées « Reine des fibres » et ont suscité un intérêt considérable de la part des chercheurs du monde entier. Des pays comme les États-Unis et le Japon ont commencé dès le début à étudier et à industrialiser les fibres de carbure de silicium, obtenant ainsi des avantages technologiques et économiques importants. Bien que la Chine ait démarré plus tardivement, des progrès rapides ont été accomplis.

Promouvoir l'étude du SiC et d'autres fibres peut accroître les capacités de la Chine en science des matériaux composites et renforcer considérablement sa compétitivité mondiale, notamment dans le domaine de la défense nationale.

Actuellement, Les fibres de SiC sont les plus largement étudiées et appliquées dans les composites à matrice métallique et céramique . Leur utilisation dans les matrices résineuses fait encore l'objet de recherches en développement. Afin que les fibres de SiC puissent pleinement réaliser leur potentiel dans les systèmes résineux, des études plus approfondies et systématiques sur les techniques de modification de surface sont essentielles.