Modélisation de l'infiltration chimique en phase vapeur isobare (I-CVI) : application au SiC et au pyrocarbone

Isobaric chemical vapor phase infiltration (I-CVI) is a process for developing thermostructural composites with ceramic matrix. The mastery of this type of process, especially in the case of densification by pyrocarbon, sometimes depends on heuristic knowledge. This work deals with the numerical modeling of the physical and chemical phenomena couples encountered in CVI and is therefore oriented around two major axes. A first aspect concerns the overall modeling of the process. This modelling includes the detailed study of aerothermochemical phenomena (diffusive and convective mass and heat transfers, homogeneous and heterogeneous chemical reactions) in a set comprising the reactor and the porous medium to be densified (preform). The aspects of multicomponent diffusion have been detailed in both media (Stefan-Maxwell laws and dusty gas model). This approach makes it possible to highlight the importance of the coupling between the porous medium and the reaction cavity, which is illustrated in the case of silicon carbide deposition. A second axis of study is that of the pyrolysis of propane in a CVD (Chemical Vapor Deposition) reactor. A detailed mechanism, leading to the formation of the first polycyclic aromatic hydrocarbons was studied, and compared to the experimental results obtained previously in the laboratory with relative good agreement. Sensitivity and principal component analyses were conducted to reduce the size of the chemical system and to highlight the pathways of formation of the main species present. A proposal for a reaction mechanism for pyrocarbon deposition, based on a Langmuir model, was also confronted with the experimental results. The approach undertaken should eventually allow a complete modelling of the development of carbon/carbon composites by isobaric CVI.L'infiltration chimique en phase vapeur isobare (I-CVI) est un procédé permettant d'élaborer des composites thermostructuraux à matrice céramique. La maitrise de ce genre de procédés, en particulier dans le cas de la densification par du pyrocarbone relève parfois de connaissances heuristiques. Le présent travail traite de la modélisation numérique des phénomènes physiques et chimiques couples rencontrés en CVI et s'oriente donc autour de deux axes majeurs. Un premier aspect concerne la modélisation globale du procédé. Cette modélisation inclut l'étude détaillée des phénomènes aérothermochimiques (transferts de masse et de chaleur diffusifs et convectifs, réactions chimiques homogènes et hétérogènes) dans un ensemble comprenant le réacteur et le milieu poreux à densifier (préforme). Les aspects de diffusion multicomposants ont été détaillés dans les deux milieux (lois de Stefan-Maxwell et modèle de gaz poussiéreux). Cette approche permet de mettre en évidence l'importance du couplage entre le milieu poreux et la cavité réactionnelle, ce qui est illustré dans le cas du dépôt de carbure de silicium. Un deuxième axe d'étude est celui de la pyrolyse du propane dans un réacteur de CVD (Chemical Vapor Deposition). Un mécanisme détaillé, conduisant à la formation des premiers hydrocarbures aromatiques polycycliques a été étudié, et comparé aux résultats expérimentaux obtenus antérieurement au laboratoire avec un relatif bon accord. Des analyses de sensibilité et des analyses en composantes principales ont été conduites afin de réduire la taille du système chimique et de mettre en évidence les voies de formation des principales espèces présentes. Une proposition de mécanisme réactionnel pour le dépôt de pyrocarbone, basé sur un modèle de Langmuir a également été confronté aux résultats expérimentaux. La démarche entreprise devrait à terme permettre une modélisation complète de l'élaboration de composites carbone/carbone par CVI isobare