Etude 3D de préformes fibreuses : interaction entre phénomènes physico-chimiques et géométrie

Thermostructural composites are characterized by their ability of operating under high mechanical stresses and high temperatures (above 1000 ʿC), such as in spatial propulsion systems or aircraft brake disks. Carbon-carbon composites (C/C) belong to this family of materials, made of fibers linked together by a ceramic matrix. They can be manufactured by CVI (Chemical Vapor Infiltration). This processing consists in densifying a heated fibrous preform by the chemical cracking of a vapor precursor of the matrix material inside the porosity of the preform. The final quality of the composites relies on the CVI densification phase, the optimization of which is a key issue. It is thus required to assess, at initial stages and during the densification, the geometrical characteristics of the preform (porosity, internal surface area, distribution of pore sizes), its gas transport properties (gas diffusivity, permeability) and its heat transfer properties (thermal conductivity). This study aims at determining these properties from 3D images of a real C/C preform at different stages of densification. The images have been obtained by X-ray microtomography at ESRF*. An original method has then been developed to compute the geometrical characteristics and the transport properties of this material. The procedure has been validated by comparing, at each step, the results obtained numerically with experimental data.Les composites thermostructuraux sont des matériaux destinés à des applications qui requièrent des propriétés mécaniques élevées à des températures supérieures à 1000 ʿC, comme par exemple dans des systèmes de propulsion spatiale ou de freinage aéronautique. Les composites carbone-carbone (C/C) font partie de ces matériaux, constitués d'un renfort fibreux et d'une matrice céramique. Pour les élaborer, l'un des procédés est la CVI (Chemical Vapor Infiltration). Elle consiste à placer une préforme fibreuse poreuse dans une enceinte, à l'intérieur de laquelle est injecté un gaz. Le gaz peut mener à un dépôt par réactions chimiques, dans des conditions déterminées, dans la porosité de la préforme et ainsi la densifier. La qualité finale des composites dépend, entre autres, de la phase de densification par CVI, qu'il est donc primordial d'optimiser. Pour cela, il faut connaître, au stade initial et en cours de densification, les caractéristiques géométriques de la préforme (porosité, surface volumique, distribution de la taille des pores), ses propriétés de transport de gaz (diffusivité de gaz, perméabilité) et ses propriétés de transfert de chaleur (conductivité thermique). C'est la détermination de ces propriétés, calculées à partir d'images 3D de la préforme fibreuse réelle en cours de densification, qui a fait l'objet de cette étude. Les images ont été obtenues par microtomographie aux rayons X à l'ESRF*. Une méthode originale a ensuite été développée pour calculer les caractéristiques géométriques et les propriétés de transport de ces matériaux. La procédure a été validée en comparant, à chaque étape, les résultats obtenus à des mesures expérimentales