Relations entre la structure de milieux fibreux et leurs propriétés thermiques et de transfert de masse

Abstract

Les composites carbone/carbone sont produits industriellement pour diverses applications : composants ultra-haute température pour la propulsion spatiale, protections thermiques pour la rentrée atmosphérique, freins pour l'aéronautique civile, outillages pour l'industrie lourde, ... Ils font partie des composites dits "thermo-structuraux" qui maintiennent leur intégrité structurale à très haute température (2500 K). Ils sont obtenus à partir d’une préforme fibreuse en fibres de carbone qui va être densifiée par un ajout de matrice carbonée. Cette matrice est généralement apportée soit par voie liquide (par imprégnation de la préforme) soit par voie gaz (par Infiltration Chimique en Phase Vapeur).Dans le cadre de leur fabrication par voie gaz, deux types de propriétés viennent conditionner la réussite du procédé : les propriétés de transport thermique et de transport d'espèces gazeuses. L'impact de l'arrangement des fibres sur ces propriétés est très important, et c'est ce qui fait l'objet du travail proposé. L'objectif est de fournir à l'ingénieur des pistes d'optimisation de procédés sur la base de la connaissance fine des phénomènes de transport au sein du milieu fibreux lors de son remplissage progressif par une matrice.Des préformes fibreuses de composites C/C infiltrées à divers degrés par une matrice carbonée sont étudiées expérimentalement et, en parallèle, ont été tomographiées et numérisées. La perméabilité aux gaz à pression variable, comprenant l'effet du transport en régime raréfié (ou "glissant") a été déterminée expérimentalement et comparée à des calculs basés image, avec un très bon accord ; des corrélations entre le transport visqueux, le transport raréfié, et la diffusion de gaz en régime continu ont été obtenues. La diffusivité thermique des constituants (fibre, matrice) et des composites a été déterminée expérimentalement à diverses températures. Ainsi, un jeu complet de propriétés de transfert dépendantes de la température, de la pression et du taux de porosité a pu être obtenu. Elles ont été utilisées dans une modélisation simple d'infiltration chimique avec gradient de température (TG-CVI) pour produire des pistes d'optimisation du procédé en termes d'homogénéité de l'infiltration.