Mise au point d’un procédé d’élaboration rapide de composites Carbone/Carbone haute densité

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Sous la direction de Marie-Anne Dourges, René Pailler
Thèse soutenue le 09 avril 2010: Bordeaux 1
Les composites Carbone/Carbone haute densité sont généralement obtenus par voie gazeuse ou liquide (sous une pression de pyrolyse de 100 MPa), suivant des procédés contraignants. L’imprégnation de préformes fibreuses par des brais liquéfiés, sous une pression limitée à 10 MPa, permettrait de réduire certaines contraintes d’élaboration à condition de trouver des procédés pour améliorer les rendements de densification. La solution proposée dans le cadre de cette thèse est d’augmenter fortement la densité en une première étape, grâce à des techniques de densification moins classiques. Une étude bibliographique approfondie a permis de déterminer les caractéristiques importantes des brais, les différents paramètres influençant les densifications par voie liquide et des techniques de pré-densification. La cohérence entre les résultats de plusieurs techniques de caractérisation des brais, est mise en évidence lors du suivi expérimental de l’évolution de divers brais vers un carbone graphitique, sous pression modérée. Cette étude expérimentale concernant les précurseurs de matrice aboutit à la sélection d’un brai remplaçant au brai de référence A240 et au choix des paramètres du protocole de pyrolyse sous pression modérée. L’influence du réseau poreux de la préforme sur le comportement du brai pendant la densification est soulignée en comparant les rendements de densification dans une préforme 3D orthogonale et dans une préforme aiguilletée. L’intérêt des densifications mixtes (avec caléfaction, imprégnation de poudres ou de brai mésophasique) est jugé par rapport à la densité et à la microstructure des composites obtenus. Les procédés originaux de densification hybride réalisés sur les préformes aiguilletées se révèlent efficaces, puisqu’une densité apparente supérieure à 1,80 et une porosité inférieure à 15% est atteinte après quatre cycles de densification par du brai isotrope. Des mesures thermiques sur les composites C/C obtenus illustrent la relation entre microstructure et conductivité thermique. Il semble ainsi possible de moduler les propriétés macroscopiques des composites C/C grâce à l’utilisation de procédés permettant d’élaborer des composites C/C à matrices carbonées mixtes.
-Composite
-Carbone/Carbone
-Graphitation
-Densification
-Procédé hybride
-Caléfaction
-Noirs de carbone
-Brai
-Pyrolyse
-Pression modérée
-Microstructure
-Conductivité thermique
High density Carbon/Carbon composites are usually prepared by chemical vapor impregnation or by liquid pitch impregnation under high pressure (100 MPa). As these processes are complex and costly, an alternative moderate pressure (P < 10 MPa) impregnation process may be attractive, provided the densification yield is strongly improved. This doctoral work proposes an original process, including a pre-densification step, which leads to a significant increase of the C/C composite final density. Essential characteristics of pitches, various parameters influencing liquid pitch densification and processes for the pre-densification step are determined from bibliographical study. Consistent changes of the different physico-chemical characteristics are observed throughout the evolution of pitches to graphitic carbon, under moderate pressure. This experimental study on matrix precursors leads to the selection of a particular pitch as substitute of A240 pitch and to the determination of a specific pyrolysis procedure under moderate pressure. Influence of porous network in preforms on the pitch behaviour during densification is outlined by the comparison of densification yields in both an orthogonal 3D preform and a needled preform. Hybrid densification processes (with film-boiling process, powder impregnation, mesophasic pitch impregnation) are evaluated through the final density and the microstructure of elaborated composites. High density C/C composites, with an apparent density higher than 1.80 g.cm-3 and an open porosity lower than 15%, have been prepared from a pre-densified needled preform, after four densification cycles with liquid isotropic pitch, under moderate pressure. Thermal properties measurements on these C/C composites confirm the strong relationship between microstructure and thermal conductivity. It seems possible to tailor the macroscopic properties of C/C composites, thanks to hybrid carbonaceous matrices.
-Composite
-Carbon/carbon
-3d
-Densification
-Hybrid process
-Film-boiling process
-Carbon blacks
-Pitch
-Pyrolysis
-Moderate pressure
-Grpahitization
-Microstrucutre
-Thermal conductivity
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14017/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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N° d’ordre : 4017
THÈSE
PRÉSENTÉE A
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DE SCIENCES CHIMIQUES
Par Alixe DEKEYREL
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : PHYSICO-CHIMIE DE LA MATIÈRE CONDENSÉE
Mise au point d’un procédé d’élaboration rapide
de composites Carbone/Carbone haute densité
Directeurs de recherche : Marie-Anne DOURGES, René PAILLER
Soutenue le 9 avril 2010
Devant la commission d’examen formée de :
M. VIGNOLES Gérard Professeur d’université, LCTS Bordeaux Président du jury
Mme BONNAMY Sylvie Directeur de recherche, CRMD Orléans Rapporteur
M. CELZARD Alain Professeur d’université, ENSTIB Nancy Rapporteur
M. BATSALE Jean-Christophe Professeur d’université, TREFLE Bordeaux Examinateur
Mme DOURGES Marie-Anne Ingénieur de recherche, LCTS Bordeaux Examinateur
M. TENEZE Nicolas Ingénieur, CEA Le Ripault Examinateur
M. ALLEMAND Alexandre Ingénieur, CEA Le Ripault Invité
M. DELHAES Pierre Directeur de recherche émérite, CRPP Bordeaux Invité
M. PAILLER René Ingénieur de recherche, LCTS Bordeaux Invité














Je remercie les professeurs Alain Guette et Francis Teyssandier de m’avoir accueillie, en tant
que directeurs du laboratoire des composites thermostructuraux (LCTS), et de m’avoir permis de
mener ces travaux de thèse pendant une période un peu plus importante que prévue.
Sylvie Bonnamy, directrice de recherche au CRMD Orléans, et Alain Celzard, professeur
d’université à l’ENSTIB Nancy, ont accepté de juger ce travail et d’en être les rapporteurs. Je leur
adresse mes respectueux remerciements. Je remercie également Jean-Christophe Batsale,
professeur d’université au TREFLE Bordeaux, Pierre Delhaès, directeur de recherche émérite au
CRPP Bordeaux, et Gérard Vignoles, professeur d’université au LCTS, d’avoir accepté d’examiner ce
travail. Je suis particulièrement reconnaissante envers Sylvie Bonnamy et Pierre Delhaès, car ils
m’ont accordé du temps à mes débuts de recherche sur les brais.
Mes remerciements s’adressent en particulier à mes deux directeurs de thèse, ingénieurs de
recherche au LCTS. Marie-Anne Dourges m’a soutenue, motivée et guidée tout au long de ces
années, non seulement afin de trouver des solutions aux soucis techniques et scientifiques, mais
aussi afin de proposer une exploitation intéressante du sujet. Je la félicite encore une fois pour
l’obtention de son habilitation à diriger des recherches pendant ma dernière année de thèse. René
Pailler m’a accordé sa confiance et de l’autonomie dans la conduite des travaux, tout en distillant ses
conseils pour aider à la progression des manips.
Je tiens à remercier les ingénieurs du CEA Le Ripault qui ont suivi ma thèse avec intérêt :
Patrick David, Nicolas Ténèze, Alexandre Allemand. Les échanges avec Nicolas Ténèze ont toujours
été sympatiques et encourageants. L’aide d’Alexandre Allemand a été précieuse pour débloquer
certaines situations difficiles.
Avoir pu observer une densification par caléfaction avec Joëlle Blein, ingénieur au CEA Le
Ripault, et Yannick Pierre, technicien au CEA Le Ripault, a été une expérience très enrichissante : ils
ont partagé leurs connaissances avec beaucoup de gentillesse et de professionnalisme.
Je voudrais également remercier ceux qui ont participé à l’étude de la diffusivité thermique
des composites élaborés : l’équipe de Julien Fouqué et Denis Rochais, ingénieurs au CEA Le Ripault,
qui ont réalisé et exploité les mesures, ainsi que Jean-François Epherre qui a fourni son soutien
scientifique pour l’interprétation. Je n’oublie pas d’associer à ces travaux les ingénieurs de Snecma Propulsion Solide qui
m’ont fait part de leur expérience sur les composites C/C et de leurs conseils avisés : Anne
Sauveroche, Jean-Claude Cavalier, Jean-Luc Leluan, Jean-Marie Parenteau et Jacques Thébault.
J’adresse de vifs remerciements à Jean-Claude Cavalier qui s’est rendu disponible du début à la fin.
J’ai eu un grand plaisir à travailler en microscopie électronique en transmission et en
diffraction des rayons X avec Patrick Weisbecker, ingénieur au LCTS, ainsi qu’en micro-spectrométrie
Raman avec Georges Chollon, chercheur au LCTS. Tous deux ont partagé leur savoir-faire et les
connaissances scientifiques pour mener à bien et avec rigueur mesures et interprétations.
J’exprime ma sincère gratitude aux techniciens du laboratoire, Sébastien Couthures et Vincent
Couroneau. Les travaux de Sébastien sur l’autoclave et le four de graphitation notamment m’ont
permis de mener à bien les expériences principales de cette thèse. La disponibilité de Vincent
Couroneau a été très bénéfique à l’avancement des travaux.
Je remercie également pour leur soutien technique : Muriel Alrivie et Christine Picard,
techniciennes au LCTS, Bertrand Guillaume, ingénieur d’étude à l’ICMCB, Jean Battini et Paul
Coutaud, ingénieurs Micromeritics.
Je tiens à exprimer ma reconnaissance et ma sympathie aux stagiaires qui ont travaillé avec
moi au cours de ces trois dernières années : Johan Cauret, Lucie Delamare et Bruno Debreu. Leur
participation à l’avancement de ces travaux de thèse a été non négligeable.
L’ensemble du personnel du LCTS a contribué à la création d’une ambiance de travail
agréable et motivante. A tous, merci.
Pour finir et d’un point de vue plus personnel, je remercie mes parents de m’accompagner
depuis le début et d’être venus à la soutenance, ainsi que ma famille en général, mes amis et Arnaud
de m’entourer d’amour. Sommaire
Introduction générale 7
SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
I. Elaboration des composites C/C 11
II. Les brais, précurseurs pour l’élaboration des C/C haute densité 20
III. Interactions brai / additifs 28
IV. Le procédé de densification 33
Conclusion 40
CHAPITRE 1 – Méthodes expérimentales
I. Matériaux 43
II. Elaboration 45
III. Techniques de caractérisation 52
CHAPITRE 2 – Contrôle de l’évolution de la matrice
Introduction 65
I. Caractérisations complémentaires des brais bruts 65
II. Influence de la pression sur le rendement en carbone 66
III. Evolution de la texture au cours de la transformation en mésophase 69
IV. Evolution structurale 74
V. Interaction entre les brais et les charges carbonées 79
Conclusion 82
Annexes 83
COMMUNICATION Carbon 2008 – A hybrid process for the synthesis of high density
carbon/carbon composites using moderate pressure 85
CHAPITRE 3 – Densification de préformes 3D
Introduction 93
I. Evolution de la préforme 3D 93
II. Caractérisation des préformes ayant subi la caléfaction 95
III. Densification de préformes 3D 100
Conclusion 107
Annexes 109
CHAPITRE 4 – Densification de préformes aiguilletées
Introduction 113
I. Pré-densifications 113
II. Densifications par le brai M50 121
Conclusion 141
Annexes 143
Conclusion générale 145
- 5 -

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