Composite à Matrice Carbure de Silicium Nanostructurée à Renforts Nanotubes de Carbone et Interphase Contrôlée – SILICARBITUBE

Le présent projet se situe dans le cadre des recherches sur les matériaux pour la 4ème génération de réacteur nucléaire. Dans ces réacteurs les matériaux, et notamment le gainage du combustible, seront soumis à des conditions d’irradiation et de température qui nécessitent le développement de nouveaux matériaux très réfractaires, bons conducteurs de chaleur, tolérants aux irradiations neutroniques et présentant des propriétés mécaniques fiables.
Dans ce contexte, les céramiques carbures comme SiC apparaissent très intéressantes, mais leur comportement fragile limite leur application comme matériau de structure. La réduction de la taille des grains à l’échelle nanométrique pourrait permettre d’améliorer ce comportement mais conduirait également à une chute importante de la conductivité thermique de la céramique. Afin de contrebalancer cette perte, l’ajout de nanotubes de carbone pourrait améliorer les propriétés thermiques du composite et également contribuer à l’augmentation de sa ténacité en ayant un effet de renfort fibreux court. Pour ce dernier aspect, la relation entre la matrice et son renfort apparaît primordiale : l’ajout d’un matériau céramique ou métallique à l’interface tube/matrice pourrait permettre de contrôler le couplage entre les deux éléments.
Dans ce projet, les 3 partenaires (LFP, ICB, MATEIS) se proposent d’élaborer des composites à matrice SiC nanostructurée renforcés par des nanotubes de carbone recouverts d’une interphase, afin d’étudier les propriétés thermomécaniques des composites obtenus. Pour ce faire, différentes nuances (taille, composition chimique, longueur, traitement de surface) de nanopoudres et de nanotubes seront synthétisées et une attention particulière sera portée à leur association. En effet, un lien chimique entre les nanograins et la surface des tubes pourra être réalisé avant l’étape de mélange. Cette dernière étape pourra quant à elle mener à une distribution aléatoire de l’orientation des nanotubes dans la matrice, ou bien au contraire cherchera à conserver l’alignement des nanotubes afin d’obtenir des propriétés anisotropes. Une étude complète sera menée sur la préparation des pièces à cru afin d’optimiser la densité et la répartition de la porosité à partir d’objets nanométriques. Pour ce faire, les étapes de dispersion, de mélange et de granulation des nano-objets seront étudiées. Le frittage quant à lui constituera une autre étape clé de la réalisation du composite, car il devra permettre d’obtenir une densité maximale tout en conservant une taille de grain nanométrique et sans dégrader la structure des nanotubes et de l’interphase. La technique de frittage SPS qui a recours à une circulation de courant pulsé pour chauffer les échantillons sera utilisée car elle permet de réduire la durée des paliers à haute température et ainsi de limiter la croissance des grains. Enfin, des essais mécaniques et des mesures de conductivité thermique seront menées en parallèle aux caractérisations structurales afin d’une part d’optimiser les propriétés du composite, et d’autre part d’apporter une lumière sur les mécanismes fondamentaux mis en œuvre à l’échelle nanométrique et responsables des propriétés observées.