ComposÉs LAmellaires pour les JOints en Applications Sévères – CELAJOAS

Depuis l'interdiction de fabrication et de commercialisation de l'amiante en 1997 en France, aucun matériau n'est venu remplacer ce minéral de manière satisfaisante pour les applications industrielles haute température (de 500 à 1000°C) dans différents domaines (mécanique, étanchéité, isolation thermique…). Le projet se place en particulier dans un contexte industriel général marqué par le développement d'applications à haute température (jusqu'à 900°C) : pétrochimie, énergie nucléaire et solaire, moteurs pour le domaine aéronautique et spatial. Dans tous ces cas, il existe un besoin important et croissant de systèmes d'étanchéité performants et fiables, même dans un environnement sévère. L'objectif est de mettre au point un procédé d'élaboration de joints à base d'un matériau inorganique lamellaire pour les applications à haute température dans un domaine où le graphite n'est pas exploitable. Divers matériaux de joints sont susceptibles d'être utilisés : des phyllosilicates tels que la vermiculite, la pyrophilite, la saponite, la sepiolite la xonolithe, ou le talc ou encore le nitrure de bore. Le taux de porosité de ces matériaux pourra conduire à la recherche d'un liant ou additif inorganique permettant de diminuer la porosité. Le projet se propose alors de résoudre le procédé d'élaboration d'un matériau composite compacté et étanche à base de particules d'un matériau inorganique lamellaire si possible exfolié. Ce matériau doit posséder des propriétés d'étanchéité et une bonne tenue mécanique dans des conditions sévères de température : 900°C en atmosphère oxydante sous une contrainte appliquée d'environ 20 MPa. Le procédé d'élaboration par pressage ou imprégnation de poudres d'aluminosilicates permettra d'obtenir un matériau multifonctionnel : cohésif (bonne tenue mécanique), étanche aux gaz et possédant une reprise élastique. La première étape du procédé consistera en l'élaboration d'une poudre minérale de chimie de surface et de granulométrie contrôlées par sonochimie. La mise en forme des matériaux par pressage pourra être facilitée par l'ajout de liants polymériques inorganiques établissant un pontage interparticulaire des aluminosilicates lamellaires de base. La porosité intrinsèque des joints pourra être diminuée par l'ajout de nanoparticules d'oxyde ou d'autres charges minérales comme des verre ou des sels. La structure poreuse des joints élaborés sera étudiée en fonction de la température et de la pression par le recoupement d'informations provenant de différentes techniques : caractérisation par adsorption d'azote à 77 K (surface BET, étude de la répartition de la porosité), étude de la macroporosité du matériau sur des sections polies par microscopie électronique à balayage, mesure des coefficients de diffusion du proton (par RMN), évaluation du taux de porosité des matériaux mis en forme par des mesures de densité apparente et de densité (pycnométrie). L'étude in situ en fonction de la pression de la structure et de la texture (porosité) sera réalisée par des méthodes de spectroscopies de rayonnement (neutrons ou rayons X), diffraction et diffusion aux petits angles. Les propriétés de reprise élastique et d'étanchéité (débit de fuite à l'hélium) dans les domaines de pression et de température d'utilisation (20 Mpa, T<900°C) seront testées pour tous les joints élaborés. Des modèles physiques seront développés afin de corréler ces propriétés à la structure multi échelle. Ces modèles tout d'abord validés sur le graphite pourront être appliqués aux nouveaux composites à base d'aluminosilicates lamellaires afin d'orienter les recherches vers les matériaux les plus prometteurs. Ces modèles physiques permettront de relier la structure multi-échelle des joints aux propriétés de reprise élastique et d'étanchéité calculées par des simulations numériques en fonction de la pression et de la température. Ces modèles auront un caractère prédictif du comportement en service des joints. Les modèles multiéchelles et les simulatio