Frittage des Composites Diborure de Zirconium-Carbure de Silicium (ZrB2-SiC) et Diborure de Titane-Carbure de Silicium (TiB2-SiC) Traitement de Surface par Laser : Application Potentielle aux Piles à Combustibles Fonctionnant à Basse Température

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

ZrB2- SiC

Mots-clés

Traitements de surface,

Traitements de surfaces par laser,

Carbure de bore,

Frittage (métallurgie),

Matériaux céramiques,

Céramiques co-frittées à basse température,

Zirconium -- Composés,

Piles à combustible

Le frittage et le traitement par laser sont des techniques remarquables, couramment utilisées dans de nombreux domaines d’applications du fait des qualités qu’ils confèrent aux surfaces traitées. Ces technologies permettent de substantielles économies d’énergie comparée aux traitements de surfaces conventionnels. Le chauffage est par ailleurs, strictement localisé à la zone choisie. Notre recherche a pour objectif de développer une fine couche de verre de silice à la surface de céramiques poreusescomposites : le diborure de zirconium-carbure de silicium (ZrB2-SiC) et le diborure de titane-carbure de silicium (TiB2-SiC) frittées avec une porosité contrôlée d’environ 30%. La principale application de ces matériaux concerne les piles à combustibles protoniques fonctionnant à basse température (de type LTPCFCs). Les poudres ZrB2-SiC et TiB2-SiC sont soigneusement mélangées et pressées à froid dans un moule à la pression de 40 MPa. Le frittage naturel est conduit dans un four à 1900 et 2100 °C durant 2,5 heures, sous atmosphère contrôlée d’argon. Après polissage, le traitement de surface est effectué par laser verre-ytterbium. Les paramètres du traitement ont été optimisés (puissance et trajet du faisceau laser, temps de traitement, atmosphère) et ont permit d’obtenir une couche superficielle d’un verre à forte conduction protonique, sans affecter la structure et la composition des couches situées au-dessous de la surface. Les échantillons ont été caractérisés en utilisant les méthodes classiques : EDS, XRD, MEB, microscopie optique. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec des échantillons de composition 61 mol. % ZrB2-SiC et 61 mol. % TiB2-SiC traités thermiquement a 1900 °C. La porosité obtenue, de l’ordre de 30%, assure une bonne circulation des gaz. La couche de verre produite sur le composite ZrB2-SiC, d’une épaisseur moyenne de 8 μm, est continue et exempte demacro fissuration. Une microfissuration est cependant détectée par MEB aux plus forts grossissements. Les essais ont été conduits à plus haute température de frittage (2100 °C) et avec des compositions différentes dans le but d’améliorer les propriétés du substrat. ZrB2-SiC. A la composition de 80 mol. % ZrB2-SiC les analyses révèlent la présence de cristaux de forme cuboïdale, attribuée à la formation de carbure de bore B4C dont la formation est admise par l’analyse thermodynamique. Les essais sur le composite ZrB2-SiC conduisent à l’apparition de bulles et de défauts dans la couche de verre. Une optimisation des conditions de traitement sera nécessaire pour contrôler ce phénomène. Cette étude démontre qu’il est possible de développer des couches poreuses de matériaux céramiques de type ZrB2-SiC, et de former à leur surface une couche de verre dense et exempte de fissuration par traitement laser. Les propriétés générales de cette couche permettent d’envisager une utilisation comme électrolyte solide dans les piles à combustibles de type LTPCFCs.