Les radômes et les fenêtres d’antennes émettrices d’ondes sont des composants structurels essentiels dans les avions, protégeant les antennes radar des interférences externes tout en garantissant une communication fiable. Actuellement, les matériaux de transmission d’ondes les plus utilisés sont les céramiques à base d’oxydes et de nitrures. Les céramiques Si3N4, avec leur point de fusion élevé et leurs propriétés mécaniques supérieures, sont considérées comme des candidats prometteurs pour les applications de véhicules hypersoniques.
Cependant, les propriétés diélectriques et d’isolation thermique des céramiques denses Si3N4 doivent être améliorées pour répondre aux exigences de guidage précis et de protection thermique du vol à grande vitesse. En ajustant la microstructure, il est possible d’améliorer les propriétés diélectriques, mécaniques et thermiques des matériaux perméables aux ondes.
Les céramiques poreuses Si3N4 sont donc essentielles au développement de radômes et de fenêtres d’antenne pour les avions hypersoniques, qui doivent supporter des températures et des contraintes extrêmes tout en maintenant de faibles constantes diélectriques pour une fonctionnalité radar efficace. Traditionnellement, l’équilibre entre la résistance mécanique et l’efficacité de la transmission des ondes a été un défi, nécessitant des solutions innovantes pour améliorer ces deux aspects.
Récemment, une équipe de scientifiques des matériaux dirigée par le Dr Zhilin Tian et Bin Li de l’Université Sun Yat-sen en Chine a développé une céramique Si3N4 poreuse avec des structures fines et uniformes en utilisant une méthode de moulage par gel et de modélisation à double solvant. Cette approche permet un contrôle précis de la taille et de la structure des pores, facteurs clés influençant les performances des matériaux transparents aux ondes à haute température.
Les méthodes conventionnelles telles que le moussage direct, le coulage en gel et l’imprégnation de matrice organique ne parviennent souvent pas à obtenir l’uniformité et la régularité nécessaires dans la structure des pores. Cependant, la nouvelle méthode peut transformer sans effort des pores prismatiques anisotropes en pores sphériques isotropes. Cette innovation conduit à une amélioration synergique des propriétés mécaniques, thermiques et diélectriques des céramiques poreuses Si3N4.
L’équipe a publié ses travaux dans le Journal des céramiques avancées le 26 août 2024.
« Dans cette étude, nous avons développé des céramiques poreuses Si3N4 avec des structures de pores uniformes en utilisant une méthode de moulage par gel et de modélisation à double solvant. Les céramiques obtenues ont une porosité de 56 % et présentent des propriétés mécaniques impressionnantes, avec des résistances à la flexion et à la compression de 95 ± 14,8 MPa et 132 ± 4,5 MPa, respectivement », a expliqué le professeur Zhilin Tian.
« Le système à double solvant enrichit la diversité des structures des pores, qui est étroitement liée au rapport solvant-eau. Lorsque la teneur en alcool tert-butylique diminue, la structure des pores passe de prismatique à sphérique. De plus, avec l’augmentation de la teneur en camphène, le diamètre des pores diminue d’abord avant d’augmenter à nouveau.
« Lorsque le rapport solvant est de 1:2, le diamètre moyen des pores atteint son minimum, en raison de la compétition entre les cristaux de solvant pour l’espace de croissance. Une plus grande quantité d’alcool tert-butylique donne des cristaux et des pores plus grands, tandis qu’une quantité réduite d’alcool tert-butylique permet aux cristaux de camphène plus petits de dominer, ce qui conduit à des pores plus petits. »
« Notre méthode de modélisation à double solvant offre un contrôle sans précédent sur la taille et la structure des pores, qui sont essentiels pour créer des céramiques hautes performances pour les applications aérospatiales », a déclaré le professeur Tian. « La combinaison d’alcool tert-butylique et de camphène comme modèles nous permet d’obtenir des pores sphériques isotropes, améliorant considérablement la résistance mécanique et les propriétés thermiques. »
Il a ensuite expliqué : « La compétition entre les cristaux de solvants permet d’obtenir une taille de pores optimale, ce qui conduit à une meilleure déflexion des fissures et à une meilleure absorption d’énergie dans des conditions de vol à grande vitesse. »
Cette étude jette les bases de nouvelles avancées dans le domaine des matériaux transparents aux ondes. Selon le professeur Tian, les prochaines étapes consisteront à accroître l’échelle du processus de production et à affiner les propriétés du matériau pour répondre aux exigences spécifiques de diverses applications aérospatiales. « Notre objectif ultime est de développer une classe de céramiques pouvant être utilisées dans une large gamme d’environnements extrêmes. »
Plus d’informations :
Yuanyuan Liu et al, Promotion synergique des propriétés diélectriques et thermomécaniques des céramiques poreuses Si3N4 par une méthode de modèle à double solvant, Journal des céramiques avancées (2024). DOI : 10.26599/JAC.2024.9220962
Fourni par Tsinghua University Press