Le mécanisme de double rétroaction peut améliorer les revêtements antioxydants dans les composites à fibres

Les composites à matrice céramique renforcés de fibres (CMC) ont été le premier choix pour les matériaux de radôme des véhicules hypersoniques en raison de leur grande ténacité, de leur résistance et d’autres propriétés avantageuses. Cependant, l’oxydation par l’oxygène dans l’environnement atmosphérique à des températures élevées reste un obstacle important à leur développement ultérieur.

Les revêtements de protection thermique offrent une solution essentielle pour atténuer ce problème. Néanmoins, les différences inhérentes aux matériaux ou aux orientations des fibres au sein des CMC peuvent entraîner des taux de dilatation thermique différents entre la matrice et les fibres lors des variations de température, générant inévitablement des contraintes internes. Ces contraintes internes contribuent ironiquement à la fissuration et même au détachement des revêtements, ce qui constitue un défi pour leur efficacité.

« La voie du Tao passe par l’opposition ; sa fonction se trouve dans ce qui est faible. » Inspiré par la sagesse des philosophes antiques, le professeur Xia Long du laboratoire clé de conception et de préparation de céramiques spéciales de l’Institut de technologie de Harbin (Weihai) a proposé un cadre conceptuel ancré dans la pensée inverse pour aborder cette question, en essayant d’atteindre un « rendement » plus élevé grâce à un « sacrifice » minimal.

Consciente de la difficulté inhérente à la prévention des fissures de revêtement, l’équipe suggère d’exploiter l’oxydation au niveau des sites de fissures, où les produits d’oxyde résultants peuvent interagir chimiquement ou physiquement avec le revêtement résistant à l’oxydation pour réduire la viscosité du matériau. Ce mécanisme d’auto-guérison ciblé des fissures thermiquement incompatibles est appelé « mécanisme d’auto-guérison à double rétroaction ».

L’équipe a publié ses travaux dans Journal des céramiques avancées le 5 septembre 2024.

Dans l’article, le matériau composite SOAC@BNf/SiBN a été fabriqué pour valider la conception proposée. La couche SOAC a été produite à l’aide d’un procédé de revêtement par pulvérisation en plusieurs étapes. Le processus de transformation organique-inorganique du SOAC a été examiné à différentes températures de frittage, confirmant qu’aucune structure cristalline ne s’est formée pendant la transition du revêtement organique au revêtement inorganique. Cette découverte souligne l’avantage notable du revêtement en adhérant efficacement à la surface du substrat.

La validation par des tests d’oxydation sur des céramiques BNf/SiBN a révélé que le composite BNf/SiBN initie une oxydation progressive à près de 1100°C. Au cours de ce processus, la vapeur de B2O3 générée, en s’échappant, réagit avec SiO2 dans le système Si-O-Al pour former une phase vitreuse SiO2-B2O3. Cela réduit la viscosité du revêtement résistant à l’oxydation, lui permettant de s’écouler spontanément et de combler les défauts, bloquant ainsi les voies de pénétration de l’oxygène. Par conséquent, le revêtement protège efficacement le substrat à des températures élevées.

Les résultats de l’analyse thermique démontrent une réduction significative du taux de perte de poids par oxydation à haute température du système de matériaux Si-O-Al@BNf/SiBN, de 11 % à 2,4 %. Ceci est attribué au mécanisme d’auto-guérison à double rétroaction, qui préserve l’intégrité structurelle et préserve les propriétés mécaniques du matériau dans les environnements à haute température.

Cependant, des recherches plus approfondies sont nécessaires pour approfondir la faisabilité théorique du mécanisme d’auto-guérison à double rétroaction. Xia suggère également que des efforts futurs pourraient explorer des matériaux avec des interactions chimiques ou physiques améliorées entre les produits d’oxydation de la matrice et les revêtements protecteurs, dans le but d’améliorer la résistance à l’oxydation à haute température des composites à fibres.

Parmi les autres auteurs contributeurs figurent Yuanshuai Wang, Xinyu Wang, Pianpian Zhang, Anqi Lun, Yuewei Li, Yi Wang, Lizhe Xing, Zhengyang Fu et Ya’nan Yang.