Céramiques Nanocomposites Si/C/N/O : simulation numérique d'un réacteur de synthèse de nanopoudres par pyrolyse laser

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

matériaux céramiques, simulation numérique, nanomatériaux, thermodynamique, mécanique des fluides, frittage, matériaux composites

Mots-clés

Nanotechnologie - Thèses et écrits académiques,

Composites - Thèses et écrits académiques,

Effets de la chaleur - Thèses et écrits académiques,

Frittage (métallurgie)Frittage (métallurgie) -- Thèses et écrits académiques,

Thermodynamique - Thèses et écrits académiques,

Jets -- Fluides, Dynamique des - Thèses et écrits académiques

Cette étude porte sur l'élaboration de nanocomposites Si₃N₄/SiC ayant une microstructure fine, favorable à la déformation à chaud, en vue de la réalisation de pièces céramiques par formage à chaud. Les matériaux sont obtenus par densification de poudres nanométriques de carbonitrure de silicium synthétisées par pyrolyse laser, à partir d'une combinaison de précurseurs SiH₄ et HMDS (hexaméthyldisilazane). L'étude comparative sur diverses nanopoudres montre l'influence des conditions de synthèse, et en particulier, la nature de la source de silicium sur la stabilité thermique des poudres, leur densification et leur microstructure. L'ajout de SiH₄ améliore la stabilité des poudres exe-HMDS. Les matériaux élaborés à partir de ces poudres sont denses et présentent un comportement fortement ductile à haute température. Cette étude valide la possibilité d'obtenir des poudres, à moindre coût, pour réaliser un matériau thermomécanique à base de Si₃N₄. Les propriétés des matériaux sont dépendantes de phénomènes subtils, tels que, le mode de mise en forme, les conditions de frittage et plus encore la réactivité et les caractéristiques des poudres (morphologie, pureté, taille,etc…). Afin de mieux maîtriser les propriétés des poudres, une étude par voie de modélisation et de simulation du procédé de synthèse des poudres SiCN par pyrolyse laser a été entreprise. Les équations de bilan sont écrites sur la base de considérations de milieux continus. Les simulations numériques sont menées à l'aide d'un code industriel de CFD (CFX-5) où ont été intégrés les modules de calcul spécifiques au modèle développé. Une première étape a été consacrée à la validation des schémas numériques, des paramètres de discrétisation et du modèle physique. Ensuite, une étude paramétrique a été menée dans le but de quantifier l'influence des transferts de chaleur et d'espèces chimiques et leurs interactions avec la synthèse des nanopoudres. La prise en compte de l'écoulement dans le réacteur a permis de mentionner l'intérêt d'une collecte des poudres dans le sens inverse du champ gravitationnel et de mettre en évidence la présence de régimes de circulation nuisibles à ce type de collecte. Par ailleurs, deux régimes de fonctionnement du réacteur ont été analysés: basse et haute pression. Des effets indésirables, comme le transfert thermique par conduction dans la zone en amont du laser et de la réaction, ont été considérés. Il a été constaté que ces effets sont réduits à basse pression. Enfin, la possibilité d'utiliser un réacteur similaire pour une synthèse à l'échelle industrielle (production de l'ordre du kg/h) a été examinée. Pour cela, une étude portant sur le design du réacteur (dimensions géométriques, caractéristiques de la buse d'injection des gaz) fonctionnant en régime turbulent a été réalisée conduisant à des conclusions exploitables par l'industrie.