Optimisation topologique d'architectures 3D à base de SiC pour la génération efficace de chaleur à haute température dominée par les transferts radiatifs – ORCHESTRA

La montée en puissance de la fabrication additive permet de concevoir aujourd’hui de nouveaux dispositifs de conversion ou de récupération de l’énergie à haute température (HT), basés sur des céramiques hautement poreuses avec des géométries 3D ajustables. De nouvelles architectures sont ainsi accessibles (surfaces minimales triplement périodiques, réseaux hiérarchiques) mais des questions demeurent quant à leurs performances énergétiques et mécaniques, en particulier quand les dispositifs sont utilisés en conditions extrêmes (T> 1300K, gradient thermique ? 500 K, haut flux ?MW.m-2). Un point clé est de bien comprendre l’impact des distributions spatiales de l’énergie radiative et des écoulements gazeux sur les comportements thermiques des céramiques. Pour développer de nouveaux dispositifs en rupture, le PRC ORCHESTRA réunit un consortium pluridisciplinaire (LTeN, GeM, IFPEN, IRCER) dont l’objectif est d’élaborer des céramiques de carbure de silicium (SiC) avec des géométries 3D conçues pour répondre aux exigences thermiques et mécaniques. Le cœur du PRC reposera sur le déploiement de méthodes, globales puis locales, basées sur l’optimisation topologique. Les développements mathématiques associés tiendront compte des transferts radiatifs et des couplages induits. Les architectures 3D, énergétiquement optimisées, seront ensuite soumises à des chocs thermiques, simulés numériquement (méthode multi-grille) jusqu’à fissuration. Les structures sélectionnées seront élaborées en combinant le procédé de jet de liants et la voie pré-polymère céramique. Enfin, les architectures 3D subiront des tests expérimentaux à hautes températures visant à définir leurs performances énergétiques et mécaniques. La confrontation des résultats issus des calculs numériques et des caractérisations expérimentales permettra de définir une méthodologie robuste à même de concevoir de nouveaux dispositifs HT durables de conversion de l’énergie, basés sur des céramiques poreuses de SiC.