Amélioration de la densification du carbure de silicium : frittage par plasma d'étincelle avec additifs Si‑SiC nanocomposites de plasma DC thermique

Résumé

Des particules nanocomposites Si‑revêtu SiC (Si‑SiC) ont été synthétisées via un plasma thermique DC à arc non transféré à partir de poudre de SiC à l'état solide. Ces particules ont été employées comme additifs de frittage dans le frittage par plasma d'étincelle (SPS) de SiC de taille micronique. Le chargement optimal de 10 % p/p Si‑SiC, combiné avec 0,2 % p/p de charbon actif, a produit une densité relative de 97,1 % et une dureté Vickers de 31,4 GPa à 1800 °C pour une tenue de 1 min. Ce travail démontre une voie de SiC à haute densité et basse température qui exploite les effets de taille nanométrique et le lien par réaction exothermique silicium-carbone.

Contexte

Les céramiques de carbure de silicium sont prisées pour leur dureté exceptionnelle à haute température, résistance à l'usure, faible dilatation thermique et tolérance à la corrosion, les rendant indispensables dans les aubes de turbine, moteurs diesel, aérospatiale et réacteurs nucléaires. Cependant, la liaison covalente Si–C et l'auto-diffusion lente entravent la densification sans additifs. Les voies traditionnelles — SiC fritté à l'état solide (SSS‑SiC) et SiC fritté à phase liquide (LPS‑SiC) — nécessitent des températures supérieures à 1850 °C et introduisent souvent des phases secondaires qui réduisent la performance à haute température. Le SiC lié par réaction (RB‑SiC) offre des températures de frittage plus basses mais souffre d'une densité médiocre. Ainsi, réduire la température de frittage tout en maintenant l'intégrité mécanique est un défi clé de recherche.

Le SiC nanoparticulaire a émergé comme une voie prometteuse ; sa surface spécifique élevée accélère le frittage et peut améliorer les propriétés finales. Nous avons donc développé une méthode pour revêtir le SiC d'une fine couche de Si via un plasma thermique DC à arc non transféré, créant une nanoparticule composite Si‑SiC qui sert de densificateur efficace et à additif minimal.

Expérimental

Synthèse du SiC de taille micronique

Si (moyenne 25 µm, 99,9 %) et charbon actif (32 µm) ont été mélangés dans un rapport molaire 1:1,5 et broyés à billes pendant 15 h. Le mélange a été calciné à 1300 °C pendant 2 h sous Ar (1 L min⁻¹). La poudre β‑SiC résultante a été broyée pour usage ultérieur.

Nanoparticules Si‑SiC générées par plasma

En utilisant un réacteur à plasma thermique à arc non transféré, la poudre de SiC micronique a été alimentée à travers un tuyau de 2 mm à 70 V et 1 g min⁻¹. Le système a fonctionné à 200 Torr, 30 L min⁻¹ Ar, 3 L min⁻¹ H₂, et 300 A (45 V). Les nanoparticules ont été collectées sur les parois du réacteur ; le rendement était de 80–85 %.

Frittage par plasma d'étincelle

Des mélanges de SiC micronique et de nanoparticules Si‑SiC (5–15 % p/p) ont été compactés dans un moule en graphite de 20 mm sous 80 MPa. Le SPS a été effectué sous vide (10⁻² Torr) avec un taux de chauffe de 600 °C min⁻¹, ciblant 1600–1800 °C. Les temps de tenue variaient de 0 à 1 min à 1800 °C. Certains échantillons ont reçu 0,1–0,2 % p/p de charbon actif pour favoriser le lien par réaction. La densité a été mesurée par Archimède ; la dureté Vickers par un indentateur de 10 kgf.

Caractérisation

XRD (Cu‑Kα) a évalué la composition des phases ; MEB (JSM‑5900) et MET (JEM‑2010) ont examiné la morphologie. Le déplacement de retrait a été enregistré pendant le frittage.

Résultats et discussion

Le XRD a confirmé β‑SiC dans les échantillons microniques et nano ; ces derniers contenaient également des traces de Si et SiO₂ issues de la décomposition partielle et de l'oxydation. Le MEB a montré des particules microniques de 2–5 µm et des nanoparticules Si‑SiC de 20–70 nm (surface spécifique 69 m² g⁻¹).

L'augmentation de la température de frittage a amélioré la densité relative et la dureté ; à 1800 °C et 1 min de tenue, le mélange 90:10 (SiC:Si‑SiC) a atteint 88,2 % de densité et 21,2 GPa de dureté. L'ajout de 0,2 % p/p de charbon actif a encore augmenté ces valeurs à 97,1 % de densité et 31,4 GPa de dureté, indiquant un lien par réaction efficace entre le silicium libre dans les nanoparticules et le carbone.

Les micrographies ont révélé une croissance des grains de 2–4 µm à 1800 °C, avec une densification accélérée sous la réaction exothermique silicium-carbone. Les données de retrait ont corroboré la densification améliorée, en particulier dans les échantillons contenant du charbon actif.

Mécanistiquement, les nanoparticules Si‑SiC agissent de deux manières : leur surface spécifique élevée favorise une diffusion rapide (effet de taille nanométrique), et le silicium libéré réagit exothermiquement avec le carbone ajouté, augmentant localement la température et accélérant le frittage (effet de lien par réaction).

Conclusions

Nous avons démontré que les nanoparticules de SiC revêtues de Si, produites par plasma thermique DC, servent de densificateur efficace et à faible additif pour les céramiques SiC. Un chargement de 10 % p/p combiné avec 0,2 % p/p de charbon actif produit une densité relative de 97,1 % et une dureté Vickers de 31,4 GPa à 1800 °C, surpassant les méthodes conventionnelles. La double contribution de l'amélioration de la diffusion par la taille nanométrique et du lien par réaction silicium-carbone offre une voie viable vers du SiC haute performance à températures réduites.