Des revêtements autoportés en aluminosilicates jusqu'à 1 cm d'épaisseur et 80 % de porosité par projection plasma : développement et caractérisation thermomécanique

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Aluminosilicates, Comportement thermomécanique, Revêtements autoportés épais

Mots-clés

Projection au plasma,

Silicates d'aluminium,

Isolants,

Contraintes résiduelles

Les céramiques poreuses font l’objet d’une très grande attention dans le domaine de l’industrie car elles sont utilisées pour une grande variété d’applications, telles que l’isolation thermique, les membranes filtrantes, les catalyseurs, les échangeurs thermiques, les bioréacteurs et les réfractaires. Dans le cadre d’une fonction d’isolation thermique, cette étude évalue le procédé de projection plasma pour la réalisation de matériaux associant des taux de porosité élevés, supérieurs à 70 %, à une bonne tenue mécanique, pour que ces matériaux soient usinables. Les températures de fonctionnement, de l’ordre de 1 200 °C, et les contraintes de minimisation de masse orientent le choix des matériaux à projeter vers les aluminosilicates. Considérant les taux de porosité recherchés, différents agents porogènes ont été utilisés en projection plasma. Selon la nature de l’agent, des paramètres de projection et de la morphologie des poudres, différentes microstructures poreuses structurées d’épaisseur un millimètre, dont la porosité varie entre 70 et 80 %, sont obtenues. Pour satisfaire les exigences fonctionnelles, la microstructure à 80 %, issue de l’évacuation d’un polyester aromatique, a été obtenue sur un centimètre. Ceci a nécessité une étude approfondie des contraintes résiduelles induites durant les phases de projection et de refroidissement, réalisée par la méthode de la mesure de la flèche sur des éprouvettes normalisées. La compréhension des mécanismes générant ces contraintes et leur minimisation ont permis l’obtention de microstructures épaisses planes et cylindriques. Le comportement thermomécanique associé à de telles microstructures a été analysé sur différentes nuances poreuses en mullite. Des conductivités thermiques de 80 mW.m-1.K-1 sont mesurées à température ambiante sur des microstructures amorphes puis en température jusqu’à 800 °C sur des structures amorphes et cristallisées. Le module d’Young, la contrainte et la déformation à la rupture sont quantifiées via des méthodes destructives (flexion 3 – 4 points) et non destructives (tests d’ondes acoustiques). Enfin, des relations empiriques décrivant le comportement thermique et mécanique de microstructures autoportées en mullite suivant la porosité et le traitement thermique subi par ces dernières sont présentées. Les revêtements obtenus par projection plasma possèdent des propriétés thermiques et mécaniques analogues à celles classiquement obtenues dans la littérature par des procédés plus conventionnels, type « gelcasting ».