DS0303 -

NANOCOMPOSITES CARBURES ET CARBONITRURES COMME MATERIAUX SELECTIFS POUR LA CONVERSION PHOTOTHERMIQUE – CARAPASS

Des PDCs pour les absorbeurs solaires

Nanocomposites céramiques de type TMC/SiC (TM = Ti, Hf) élaborés à partir de polycarbosilanes/-silazanes modifiés par des composés organométalliques à base de titane et d'hafnium pour apporter une sélectivité spectrale au SiC tout en préservant les nanophases de carbure métallique de l'oxydation

Du Design à la caractérisation des matériaux

Un système solaire à concentration exploite le rayonnement du soleil en orientant, au moyen de miroirs, les flux de photons. Ces rayons viennent se focaliser sur une cible - l’absorbeur solaire - qui s’échauffe. Son rôle est d’absorber le rayonnement incident et transmettre la chaleur accumulée au fluide caloporteur qui en extrait ainsi l’énergie pour produire de l'électricité à l’aide d’une turbine. Un absorbeur solaire idéal doit présenter une sélectivité optique, c’est à dire que sa réflectance doit lui permettre d’absorber un maximum de rayonnement aux longueurs d’onde d’émission réelle du soleil (soit celles inférieures à 2,5 µm) et elle doit également lui permettre de ne réémettre qu’un minimum au-delà de cette valeur du fait de sa propre température de fonctionnement (pertes thermiques radiatives). Le matériau de référence est le carbure de silicium SiC, en raison de sa stabilité aux températures de fonctionnement de l’absorbeur (entre 600°C et 1000°C). Pour optimiser le rendement de conversion de la lumière en chaleur, une des actions consiste à limiter les pertes optiques et thermiques, et principalement celles par rayonnement que l’on observe avec le SiC. Les carbures/nitrures des métaux du groupe IV ont une excellente sélectivité mais s’oxydent facilement. L’objectif général du projet CARAPASS est de préparer et de caractériser des nanocomposites de type MX/SiC (M = Ti, Zr, Hf; X = CxN1-x, 0 = x = 1) pour améliorer la sélectivité optique du SiC tout en s’affranchissant de l’oxydation des carbures/nitrures métalliques aux températures visées. Motivé par la nécessité d'atténuer les effets du changement climatique qui impacte notre vie quotidienne, CARAPASS s’inscrit dans la transition vers une économie sobre en carbone au cours de la prochaine décennie en misant sur des approches expérimentales et de modélisation qui permet d’élargir le spectre d’expertise en sciences des matériaux des instituts impliqués et de créer de nouvelles connaissances (tant en synthèse, procédés de mise en forme, propriétés recherchées et modélisation) sur les matériaux inorganiques fonctionnels comme absorbeurs solaires « haute température ».

De par ses propriétés intrinsèques (résistance thermique, chimique et mécanique, …), le carbure de silicium (SiC) (et ses dérivés carbonitrures), est considéré comme l’un des matériaux de choix pour le design d’absorbeurs solaires « haute température ». Une rupture technologique est ciblée à travers le développement de nanocomposites de type MX/SiC (M = Ti, Zr, Hf; X = CxN1-x, 0 = x = 1) pour améliorer la sélectivité optique du SiC tout en s’affranchissant de l’oxydation des carbures/nitrures métalliques aux températures visées avec un design (pièces), une structure (bi-phasique) et une porosité ouverte contrôlée, en associant deux approches de synthèse de céramique à des procédés de mise en forme sous pression ainsi qu’à une approche de modélisation. La compréhension (et la maîtrise) de la synthèse de nanocomposites et de leur mise en forme ainsi que des phénomènes régissant le développement de la sélectivité optique de ceux-ci sont des étapes clés dans ce procédé.

Des résultats majeurs ressortent de ce projet. Ils sont dressés ci-dessous en fonction des approches expérimentales (synthèse) et de modélisation mises en œuvre :
? Synthèse à façon (contrôle fin de la teneur en Ti) de précurseurs de nanocomposites TiCxN1-x/Si-B-C(N) par la voie PDCs (Polymer-Derived Ceramics)
? Flexibilité en termes de mise en forme des nanocomposites
? Intégration des agents de frittage à l’échelle moléculaire
? Contrôle fin de la cristallinité des phases constituant les nanocomposites
? Synthèse par voie sol-gel de précurseurs de nanocomposites SiC-TiC permettant le contrôle de la teneur en TiC dans le matériau final
? Contrôle de la densité finale des pastilles de nanocomposites SiC-TiC à travers les paramètres du frittage SPS (T)
? L’augmentation de densité relative et de la teneur en TiC améliorent la sélectivité optique à température ambiante du matériau SiC-TiC
? Développement d’une méthode de modélisation permettant:
i) de calculer les propriétés optiques de nanoparticules distribuées dans une matrice
ii) d’identifier une composition chimique optimale pour matériau destiné au CSP

Les propriétés optiques et les performances prédites pour un composite TiC 30% - SiC 70% avec une densité relative de 83% sont proches de celles estimées pour un récepteur classique avec peinture absorbante non sélective.

Les développements futurs et les perspectives du projet se situent à plusieurs niveaux et démontrent que le travail est encore vaste et ouvert. Par exemple, au niveau du procédé de mise en forme, la fabrication additive permettrait de fabriquer des structures lattices idéales comme absorbeur volumétrique quand le coulage en bande permettrait d’élaborer des films relativement épais, auto- supportés, et dont l’état de surface pourrait être particulièrement adapté à l’application visée comme absorbeur surfacique. L’intérêt des voies de synthèse des composites et nanocomposites mises en œuvre dans le projet CARAPASS est qu’elles sont relativement flexibles et peuvent se coupler à différents procédés de mise en forme. Ceci ouvre beaucoup de perspectives qui pourraient être exploiter à travers un projet de grande envergure au niveau Européen.

Cinq articles sous forme de publications dans des journaux à haut FI ont été acceptés jusqu’à présent. Ils concernent plus précisément l’élaboration des matériaux et les propriétés optiques qui sont développées, ainsi que la modélisation. 8 articles supplémentaires devraient être publiés d’ici fin 2022.

Un système solaire à concentration exploite le rayonnement du soleil en orientant, au moyen de miroirs, les flux de photons. A l’avenir, ce système thermique concentré doit permettre d’atteindre des niveaux de température de l’ordre de 900-1000°C pour améliorer le rendement. Le domaine de la recherche et du développement se concentre donc sur des matériaux, composants de base des récepteurs solaires, capables de résister à ces conditions. Le carbure de silicium (SiC) offre des propriétés thermo-physiques appropriées pour les composants de base des récepteurs solaires dans les centrales solaires à concentration. Cependant, il possède une mauvaise sélectivité induisant d’importantes pertes optiques. Les carbures/nitrures des métaux du groupe IV ont une excellente sélectivité mais s’oxydent facilement. En s’inscrivant dans le défi 3 de l’ANR (thème « Matériaux et procédés » et priorité 14), le projet CARAPASS propose de préparer et de caractériser des nanocomposites de type MX/SiC (M = Ti, Zr, Hf; X = CxN1-x, 0 = x = 1) pour améliorer la sélectivité optique du SiC tout en s’affranchissant de l’oxydation des carbures/nitrures métalliques aux températures visées. Ces matériaux sont préparés sous forme de matériaux massifs (= monolithes) denses pour maintenir les propriétés mécaniques à haute température des matériaux considérés. Ce projet, d’une durée de 4 ans, implique cinq instituts, l’IEM, l’ICSM, le SPCTS, PROMES et CRM2, aux expertises très complémentaires en chimie, procédé, caractérisation physico-chimique et modélisation, reconnus à l’échelle internationale et ayant déjà un historique collaboratif. Pour atteindre nos objectifs, le projet se base sur les résultats très prometteurs obtenus par l’IEM et l’ICSM sur les nanocomposites TiC/SiC. CARAPASS est partagé en cinq tâches scientifiques interconnectées. La première tâche est axée sur la mise en œuvre de deux voies d’élaboration de ces nanocomposites. La chimie est au cœur de ces deux procédés. La tâche 2 consistera à mettre en forme ces nanocomposites en proposant trois stratégies complémentaires pour générer des pièces denses qui pourront être étudiées en tâches 3 et 4 pour l’application visée. La tâche 3 est dédiée à la caractérisation physico-chimique des nanocomposites à l'aide d'outils de caractérisation complémentaires et novateurs pour ces matériaux alors que leurs propriétés thermostructurales, mécaniques et thermiques seront plus particulièrement étudiées. La tâche 4 se consacre plus à l’étude des propriétés optiques des matériaux ainsi qu’à la stabilité de celles-ci après vieillissement. Enfin la tâche 5 sera tournée vers le développement et l’optimisation du procédé d’élaboration de ces nanocomposites à travers une approche de modélisation pour en améliorer leurs performances et la reproductibilité en termes d’élaboration et de propriétés. Au terme du projet, les résultats obtenus devrait conduire à des avancées significatives sur les matériaux céramiques comme absorbeurs solaires. Ils devraient alors intéresser le monde industriel et permettre à la France de se positionner sur cette thématique en pleine croissance à l’échelle mondiale.

Coordination du projet

Samuel Bernard (CNRS-SPCTS)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IEM Institut Européen des Membranes
CNRS-ICSM Institut de Chimie Séparative de Marcoule
SPCTS Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface
PROMES-CNRS PROcédés, Matériaux, Energie Solaire
CRM2/CNRS UMR7036 CNRS/Laboratoire de Cristallographie, Résonance Magnétique et Modélisations
CNRS CNRS-SPCTS

Aide de l'ANR 714 865 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2016 - 48 Mois

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