De la poudre à la céramique solide : les méthodes de façonnage et de frittage
La poudre de SiC à elle seule n’est pas une céramique solide et dense. Pour créer un objet solide, la poudre doit être façonnée puis fusionnée dans un processus appelé frittage. Le principal défi réside dans le fait que le SiC possède de fortes liaisons covalentes, ce qui rend son frittage très difficile. Des techniques particulières sont donc nécessaires. Les trois méthodes principales sont :
1. Frittage (frittage du solide)
Il s’agit de la méthode la plus courante pour fabriquer des composants de forme complexe.
# Mélange : La poudre de SiC est mélangée avec un adjuvant de frittage, généralement une petite quantité de Bore (B) et de Carbone (C). Le carbone aide à éliminer la couche d'oxyde sur les particules de SiC et le bore favorise la diffusion atomique.
# Façonnage : Le mélange de poudres est façonné en un « corps vert » (une forme non frittée). Cela peut être fait par :
* Pressage à sec : Pressage uniaxial ou isostatique pour des formes simples.
* Extrusion : Pour des formes longues et continues comme des tubes ou des tiges.
* Moulage par injection : pour des formes très complexes et complexes.
# Frittage : Le corps vert est chauffé dans une atmosphère inerte (comme l'argon) à des températures autour de 2000°C - 2100°C (3630°F - 3810°F). À cette température, les particules se diffusent les unes dans les autres aux points de contact et se lient pour former une céramique dense et solide avec une porosité minimale.
Résultat : Carbure de Silicium Fritté (SSiC). Il présente une grande pureté, une excellente résistance à l’usure et une bonne résistance mécanique.
2. Liaison réactionnelle (ou Siliconisation)
Cette méthode crée une pièce de forme presque nette avec un retrait minimal.
# Mise en forme : Un mélange de poudre de SiC et de carbone (par exemple, graphite) est transformé en un corps vert poreux.
# Infiltration : Le corps cru est ensuite mis en contact avec du silicium métallique (Si) fondu dans un four sous vide.
# Réaction : Le silicium fondu est aspiré dans le corps poreux par capillarité. Il réagit ensuite avec le carbone présent dans le corps pour former un nouveau carbure de silicium (Si + C → SiC), qui lie les particules de SiC d'origine entre elles.
# Excès de silicium : tous les espaces non remplis par la réaction sont remplis de silicium métallique résiduel.
Résultat : Carbure de silicium lié par réaction (RBSC) ou carbure de silicium siliconé. Il est plus dense que le SSiC mais contient 5 à 15 % de silicium libre, ce qui réduit sa résistance aux températures élevées et aux produits chimiques par rapport au SSiC.
3. Pressage à chaud
Cette méthode produit la densité et la résistance les plus élevées, mais elle est plus coûteuse et limitée à des formes simples.
# Processus : La poudre de SiC (avec aide au frittage) est placée dans une filière, généralement en graphite.
# Chaleur et pression simultanées : La matrice est chauffée à des températures de frittage (~1900°C - 2000°C) tout en appliquant simultanément une pression uniaxiale très élevée (dizaines de MPa).
# Avantage : La combinaison de la chaleur et de la pression entraîne une densification plus efficace et à une température plus basse que le frittage sans pression.
Résultat : Carbure de silicium pressé à chaud (HPSiC). Il possède des propriétés mécaniques supérieures, mais est généralement produit sous des formes simples, telles que des plaques ou des blocs, qui nécessitent un usinage ultérieur avec des outils diamantés.
Dernière étape : l'usinage
Après frittage, le composant est proche de sa forme définitive mais nécessite souvent un usinage de précision. Le SiC étant extrêmement dur (9,5 sur l'échelle de Mohs, proche du diamant), cela ne peut être réalisé qu'à l'aide de meules ou d'outils imprégnés de diamant.
En résumé, la fabrication de céramique de carbure de silicium est un processus en plusieurs étapes qui consiste d'abord à synthétiser la poudre ultra-dure, puis à utiliser des techniques spécialisées à haute température pour la densifier en un matériau d'ingénierie solide et durable.
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