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Résumé de thèse de Raffaele D'ELIA

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Etude du comportement thermomécanique et en ablation de composites à matrices minérales en environnement de propulsion hybride

 

Raffaele D'ELIA - 17/10/14

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet CNES-PERSEUS. L’objectif principal est l’étude et la caractérisation d’un béton réfractaire à base de carbure de silicium, avec une taille maximale d'agrégats de 800 μm, dans un environnement de type propulsion hybride. Le col de la tuyère doit résister à un environnement très oxydant, produit par la combustion de polyéthylène solide et de protoxyde d’azote liquide, avec des températures statiques de gaz qui peuvent atteindre 2800 K.
    L’étude est divisée en trois parties : une caractérisation thermomécanique du matériau jusqu’à 1500 K; une étude du comportement à l’oxydation en atmosphère standard, sous un flux solaire maximal de 15 MW/m2; des tests au banc avec un moteur hybride à l'ONERA, sur des tuyères conçues et réalisées au laboratoire ICA.
    Le frittage et la céramisation du microbéton engendrent une densification du matériau  et le passage de liaisons de type hydrauliques à des liaisons de type covalentes et ioniques, avec augmentation du module d'élasticité et de la contrainte à la rupture à haute température. Ce matériau présente un comportement visco-élasto-plastique aux hautes températures : il reste majoritairement élastique linéaire jusqu'à la température de stabilisation du matériau, puis une composante viscoplastique apparaît, provoquée par la formation de phases liquides à partir de la matrice cimentaire.
    Les tests d’oxydation à haute température ont été menés au laboratoire PROMES-CNRS, sur une installation solaire de 2 kW, permettant d’appliquer un flux maximal de 15 MW/m2. Des observations MEB, en microscopie optique et des analyses EDS ont été menées pour étudier les évolutions microstructurales et la cinétique d’oxydation du matériau. Les tests d’oxydation à 15 MW/m2 ont montré des vitesses d'érosion maximales de l'ordre de 5 μm /s, pour une température de 2800 K. L'érosion est générée par l'oxydation active et par la sublimation du carbure de silicium. L'oxydation active se développe à partir de 2100 K, avec formation de SiO et de CO gazeux. La sublimation du carbure de silicium, à partir de 2600-2700 K, entraine la formation de Si, Si2C et SiC2 gazeux.
    Les essais menés sur les tuyères montrent une bonne résistance du matériau après 20 secondes de tir. Une vitesse d'ablation moyenne proche de 60 μm/s a été observée au col de la tuyère.
    Le comportement thermo-élastique-ablatable a été modélisé tout d’abord sur la base d’une géométrie cylindrique multicouche, puis étendue au cas de la tuyère expérimentale testée au banc d’essai.

Mots clés : béton réfractaire, carbure de silicium, oxydation active, tuyère, propulsion hybride, ablation, expérimentation, modélisation.