Solutions haute température : intégration de PRFC avec composites à matrice céramique

Les matériaux qui permettent des structures haute performance à des températures de service supérieures à 500 °F / 230 °C sont limités. Les options sont essentiellement des métaux comme le titane et des alliages comme l'Inconel, des polyimides (PI) ou des composites à matrice céramique (CMC). Tous sont significativement plus coûteux que les composites conventionnels en polymère renforcé de fibre de carbone (PRFC), mais les CMC ont gagné de l'intérêt en raison de leur faible densité — environ un tiers de celle de l'Inconel et la moitié de celle du titane. L'inconvénient des CMC a été les longs temps de traitement nécessaires pour fabriquer des pièces — juste sous 30 jours, selon un article d'avril 2019 dans le American Ceramic Society Bulletin.

Cependant, Pyromeral (Barbery, France) a développé une famille de produits qui comble cet écart, offrant une performance jusqu'à 1 500 °C avec un traitement plus proche du PRFC, produisant des pièces en environ une semaine. « Nous avons développé une chimie novatrice qui permet des matrices vitro-céramiques avancées renforcées de fibres continues sans l'étape d'infiltration de fusion longue », explique le directeur des ventes et du marketing de Pyromeral, Guillaume Jandin. L'entreprise propose PyroKarb, PyroSic et PyroXide renforcés respectivement de fibres de carbone à haut module, de carbure de silicium et d'oxyde d'aluminium, généralement sous forme de tissus sergé 2/2, résultant en des composites avec une fraction volumique de fibres (FVF) de 50 %.

Facteurs de performance thermique

Jandin explique que bien que les trois matériaux Pyromeral puissent performer au-dessus de 1 000 °C pendant moins d'une heure, PyroKarb offre un service à long terme (moins de 1 000 heures) à 200 °C, et jusqu'à 100 heures à 500 °C. PyroSic offre un service à long terme à 500 °C et jusqu'à 100 heures à 800 °C. PyroXide offre un service court jusqu'à 1 500 °C, très proche de la performance des CMC Ox-Ox, mais à un coût inférieur.

« La performance thermique dans les pièces réelles dépend de nombreux facteurs », dit Jandin. « Ceux-ci incluent le type de chaleur (radiative, convective), s'il y a un flux d'air pour aider à refroidir certaines zones de la pièce et aussi quelles propriétés structurelles sont requises — par exemple, un bouclier thermique non structurel ou une pièce semi-structurelle. Si les matériaux fonctionnent à température élevée continue ou en flashs de courte durée est aussi critique », ajoute-t-il. « PyroSic et PyroKarb fonctionnent bien avec ce dernier, comme des cycles répétés de 1 000 °C pour un dixième de seconde, refroidissement et répétition. Leur faible coefficient de dilatation thermique (CTE) d'environ 3,10⁻⁶ µm/m/K est un avantage comparé aux métaux, qui tendent vers un CTE supérieur à 10,10⁻⁶ µm/m/K. Ces types de métaux subissent des contraintes pour accommoder les cycles thermiques rapides à haute température et se dégradent par fatigue, tandis que nos matériaux ne le font pas. »

Traitement type PRFC, applications haute température

« Nous avons inventé nos matériaux de matrice pour être liquides à température ambiante et utiliser des machines d'imprégnation pour créer du préimpregné », note Jandin. Les préimpregnés sont déposés sur des outils en CF/époxy. « Nous ne travaillons pas avec des outils en métal car notre matrice est alcaline et pourrait réagir », ajoute-t-il. « L'étape suivante est la densification en autoclave à 100 °C et 6 bar pendant environ 12 heures. » Les pièces sont démoulées et procèdent ensuite, en autoportance, à travers un procédé thermique en deux étapes à 500-1 000 °C qui achève la céramisation de la matrice, résultant en composants structurels.

Pyromeral a trouvé un succès précoce dans les voitures de course Formule 1. « Nos matériaux sont utilisés dans les boucliers thermiques autour des moteurs et aussi autour des freins, qui atteignent des températures de 500-700 °C », dit Jandin. « Pendant la saison 2012-13 de F1, chaque voiture sauf Sauber a utilisé nos matériaux pour des pièces pour diriger les gaz d'échappement du moteur (800 °C). Ces structures résistaient aussi aux vibrations de l'échappement et du châssis. Nous avons maintenant des composants sur chaque voiture qui court en F1. »

« Aussi, nous pouvons intégrer une isolation haute performance dans nos matériaux pour résister à des chutes de 700 °C avec une épaisseur de 6 millimètres », continue-t-il. « Par exemple, nous fabriquons des composants qui permettent à une boîte de vitesses de voiture de course F1 en CF/époxy — qui doit rester en dessous de 180 °C — de se trouver à 20 millimètres du turbocompresseur à 900-950 °C. » D'autres applications incluent un bouclier thermique PyroXide qualifié pour le lanceur Ariane 5 et des pièces pour l'Ariane 6, ainsi que des sorties d'échappement PyroSic pour de grands véhicules aériens sans pilote (UAV).

Pyromeral a fait un partenariat avec Composite Resources (Rock Hill, Caroline du Sud, États-Unis) pour étendre son marché aux États-Unis (voir « La construction d'une niche de fabrication de composites »). Les entreprises sont de taille similaire et partagent une longue histoire dans la course. « Notre expérience en conception et fabrication de pièces est complémentaire à l'accent de Pyromeral sur la chimie et la performance des matériaux », dit le directeur du développement commercial de Composite Resources, Melvil Clauson.

Les deux entreprises travaillent pour répondre aux demandes des clients pour une résistance à des températures encore plus élevées et pour caractériser la transparence haute fréquence radio (RF) de PyroXide pour une utilisation dans les radomes et antennes. « Nous voyons de l'intérêt concernant les avions supersoniques et des applications de défense très larges au-delà de l'Armée de l'air, ainsi que dans les moteurs à réaction commerciaux », note Clauson.

« Les produits Pyromeral sont aussi tournés vers l'avenir », dit Clauson, « parce qu'ils ne contiennent pas de substances à base de pétrole — seulement de l'eau comme solvant. Les autres constituants sont des minéraux, nous permettant de traiter les pièces en fin de vie en poudre qui peut être réutilisée dans d'autres applications. »