Groupe de travail Mécamat « Interfaces dans les milieux solides »

Compte rendu de la journée Mécamat

Interfaces in ceramic matrix materials

Mardi 10 décembre 2002

LCTS, Université de Bordeaux 1

3 allée de la Boétie, 33600 PESSAC

W.J. Clegg (DMSM, Cambridge, UK) The design of layered ceramics for high temperature applications.

W.J. Clegg a tout d’abord montré le comportement en flexion de céramiques stratifiées composées de couches denses de SiC séparées par une interphase en carbone. Les mécanismes successifs qui autorisent la déviation de la fissure principale au niveau de l’interphase puis la propagation de la fissure interfaciale et enfin la renucléation dans une couche adjacente, apportent une augmentation considérable de la ténacité apparente (énergie de rupture) par rapport à une structure non stratifiée. Le mécanisme de déviation a été étudié à l’aide d’éprouvettes transparentes de PMMA qui mettent en évidence une décohésion interfaciale en amont de la fissure principale. Le rebranchement de la fissure interfaciale dans une couche adjacente doit être évité si l’on souhaite optimiser le mécanisme de renforcement. L’emploi de céramiques oxydes devient nécessaire lorsqu’une utilisation à haute température est visée. On peut alors envisager de séparer les couches céramiques denses par une interphase céramique poreuse. En utilisant un modèle simple décrivant l’interaction d’une fissure avec un pore, on montre qu’une porosité minimale de 37 % autorise le maintien de la fissure dans l’interphase. Grâce à de telles structures stratifiées à base d’alumine, il a été possible de réaliser des pièces (comme une enveloppe pour chambre de combustion) qui possèdent une bonne résistance aux chocs thermiques.

J. Lamon (LCTS, Bordeaux) Interface and interphases in CMC’s : influence on the mechanical behavior.

J. Lamon a décrit les comportements mécaniques observés pour les différentes classes de composites à matrice céramique. Si la matrice est plus souple que la fibre (cas du C/C), il y a peu d’effet de l’endommagement de la matrice ou de l’interphase sur la réponse mécanique. Dans la situation inverse (cas du SiC/SiC), le développement de l’endommagement matriciel dépend des propriétés interfaciales. Une interface faible favorise les fortes longueurs de décohésion et améliore la ténacité. Une interface plus forte favorise la multifissuration matricielle et permet d’augmenter la contrainte ultime.

E. Martin (LCTS, Bordeaux) Energetic conditions for crack deflection at an interface.

E. Martin s’est intéressé au mécanisme de décohésion interfaciale en avant d’une fissure principale. La géométrie choisie est celle d’un microcomposite comportant une fibre dans une gaine de matrice. L’emploi d’une analyse énergétique incrémentale permet de déterminer simultanément la longueur de décohésion et le chargement critique. Les résultats relatifs au cas d’une fissure matricielle stationnaire sont en bon accord avec ceux déjà obtenus précédemment à l’aide d’une analyse asymptotique. Une tentative est faite pour aborder le cas d’une fissure se propageant sous chargement constant vers l’interface.

S. Tariolle (SMS-ENSMSE, St Etienne) Silicon carbide and boron carbide multi-layered materials obtained by a tape-casting process.

S. Tariolle a montré la méthode mise au point afin d’élaborer des stratifiés céramiques formés d’une alternance de couches denses et de couches poreuses en SiC ou en B₄C. Des poudres céramiques sont mises en suspension dans une solution puis coulées par la technique du coulage en bandes qui permet d’obtenir des feuillets d’épaisseur fine et régulière. Différents agents porogènes ont été utilisés pour générer une microstructure poreuse. Les différentes couches sont ensuite empilées et thermo- compactées.

J.L. Besson (SPCTS-ENSCI, Limoges) Mechanical properties and mechanical behaviour of silicon carbide and boron carbide multilayered materials.

J.L Besson a présenté les résultats obtenus lors de la caractérisation mécanique des céramiques stratifiées dont l’élaboration et la composition ont été introduites lors de la présentation précédente. Les propriétés mécaniques des couches (module d’Young et ténacité) ont été évaluées grâce à des échantillons monolithiques. Des essais de flexion trois points ont ensuite été réalisés sur des éprouvettes stratifiées. Lorsque l’interphase poreuse possède une porosité supérieure à 37%, les résultats montrent que la déviation et la propagation sont systématiquement observées au niveau de l’interphase poreuse dans le cas des lamellaires B₄C alors que ce n’est pas le cas pour les structures à base de couche de SiC. Différentes hypothèses concernant la composition et la microstructure de la couche poreuse sont proposées pour expliquer ce phénomène.

J.M. Heintz (ICMCB, Bordeaux) Study of crack deviation within dense-porous lamellar alumina ceramics.

J.M. Heintz a décrit les résultats obtenus à l’aide d’essais de flexion 4 points sur des éprouvettes entaillées formées d’un empilement de couches d’alumine dense et d’alumine poreuse. Le procédé d’élaboration fait intervenir le dépôt par pulvérisation d’un film de poudre sur un substrat dense. La durée de frittage permet d’ajuster la porosité de l’interphase et d’observer une déviation de la fissure principale au niveau de l’interface couche poreuse/couche dense. Des observations par micro-tomographie réalisées sur un système différent mettent en évidence une forte variation de la porosité locale au voisinage du substrat dense.

D. Leguillon (LMM, Paris) A criterion to predict crack deflection in porous/dense laminated ceramics.

Après avoir rappelé la nécessité d’employer une analyse incrémentale pour décrire une rupture au voisinage d’une singularité, D. Leguillon a développé un critère d’amorçage de fissure basé sur une condition mixte en contrainte et en énergie. Confronté à de nombreux résultats expérimentaux, cette approche semi-analytique se révèle adéquate pour prévoir l’amorçage d’une fissure au voisinage d’une entaille. En utilisant les données expérimentales obtenues par C. Reynaud (céramiques lamellaires SiC dense/SiC poreux), l’extension de ce critère aux multi-matériaux permet également de confirmer l’absence de déviation observée au niveau de l’interface couche poreuse/couche dense.

Participants

Pierre Baudry - baudry@lcts.u-bordeaux.fr

Jean-Louis Besson - jl.besson@ensci.fr

Mohamed Boutar - boutar@lcts.u-bordeaux.fr

Thierry Chartier – t.chartier@ensci.fr

Omar Cherti-Tazi - cherti@lmm.jussieu.fr

Georges Chollon - chollon@lcts.u-bordeaux.fr

Bill Clegg - wjc1000@cus.cam.ac.uk

Gaelle Farizi - farizi@lcts.u-bordeaux.fr

Philippe Goeuriot - pgoeurio@emse.fr

Alain Guette - guette@lcts.u-bordeaux.fr

Jean-Marc Heintz - heintz@icmcb.u-bordeaux.fr