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A novel material, (Ca_0.6,Mg_0.4)Zr₄(PO₄)₆ (CMZP), was evaluated as a weak interface coating for SiC/SiC composites. A procedure was developed to put down uniform and crack-free CMZP coatings on Nicalon cloth and tows using sol-gel and metal organic deposition (MOD). The coated Nicalon cloth samples and tows were infiltrated with SiC matrix using Chemical Vapor Infiltration (CVI). Bars were cut for flexure testing from the infiltrated composite containing Nicalon cloth samples that had been coated using sol-gel. These composites failed gracefully, 1.e., there was fiber pullout and debonding probably at the matrix-coating interface. Minicomposites that contained tows coated using MOD were too weak to be tested for tensile strength. This necessitated the deposition of a thin (~ 30 nm) layer of carbon both on the tows before depositing CMZP coating to protect the fibers as well as on the CMZP coating to protect the coating. Minicomposites that contained these tows, coated using sol-gel and MOD, demonstrated extensive pullout and debonding. The composite behavior could not have been due to the carbon alone as there was very less (~ 60-80 nm) present. Thus, the CMZP coating was responsible, probably in addition to the carbon layers, for the composite behavior. / Master of Science

Les composites à matrice céramique (CMC) sont destinés à remplacer les superalliages comme constituants de l'architecture des chambres de combustion des moteurs aéronautiques. Dans ces conditions, la durée de vie de ces matériaux diminue fortement du fait de leurs dégradations par oxydation. Pour pallier à ce problème, des CMC à matrice autocicatrisante sont élaborés. Ils possèdent la particularité de s'auto-protéger vis-à-vis de l'oxydation par la formation d'oxyde passivant limitant la diffusion des espèces oxydantes au sein des fissures matricielles. Dans le cadre de ces travaux de thèse, la durabilité d'un composite SiC/[Si-B-C] est évaluée. Son comportement en oxydation/corrosion est alors étudié entre 450 et 1000°C sous air à des pressions partielles d'humidité variables. Une approche multi-échelle (échelle constituants et composite) est envisagée pour comprendre les différents mécanismes mis en jeu lors de la non-cicatrisation/cicatrisation du matériau. / Ceramic matrix composites are potential candidate to replace the nickel-based alloys in advanced aeronautic engines as in civilian ones. These composites display cracks due to their elaboration process but also due to mechanical loading in use. These matrix cracks become an extended network for oxygen diffusion, and cause the premature damage of the material. To avoid this process, composites with a sequenced self-healing matrix have been developed and investigated. To resume, the self-healing process consists to consume part of incoming oxygen by sealing the matrix cracks with an oxide phase. In this work, a SiC/[Si-B-C] composite is investigated and a multi-scale approach is used. In a first time, the oxidation rate of each constituent is evaluated and in a second, composite specimens are aged between 450 and 1000°C in different gas mixtures and total pressures. This approach is a good way to better understand the contribution of each element under oxidizing environment and thus the self-healing process.

La performance mécanique des composites à matrice céramique repose en partie sur le contrôle de la liaison interfaciale et le choix des matériaux. Ces travaux s’intéressent au renforcement de la liaison interfaciale en traitant la surface des fibres SiC de dernière génération : les Hi-Nicalon S. L’objectif est d’établir une accroche chimique et/ou mécanique principalement avec l’interphase BN. Des composites modèles, minicomposites élaborés par voie CVI (Chemical Vapor Infiltration) sont utilisés comme base de travail. La quantification de la force de la liaison interfaciale s’effectue en évaluant l’énergie de liaisons interfaciales Gci issues d’essais de traction, et en calculant la contrainte de cisaillement τ par essais de pushout. Dans un premier temps, les fibres HNS dont les surfaces ont été légèrement modifiées, ont été testées avec l’interphase classique PyC. La liaison interfaciale sur minicomposites reste faible. Différentes traitements chimiques ont été effectués à la surface des fibres dans l’optique de renforcer la liaison interfaciale avec le BN, interphase plus résistance à l’oxydation que le PyC. Au préalable, les conditions d’élaborations de l’interphase BN ont été étudiées. / Mechanical properties of ceramic composites can be improved by controlling interfacial bonding and choosing materials. To enhance interfacial bonding, treatment on the last SiC fiber, Hi-Nicalon S surface are proposed in this work. The aim is to allow chemical and/or mechanical bonds mainly with BN interphase. For this, composites models, minicomposites are elaborated by CVI (Chemical Vapor Infiltration). Quantification of the strength of interfacial bonding is based by evaluating interfacial bonding energy Gci with tensile tests, and by calculating interfacial shear stress τ with push-out tests. Firstly, Hi-Nicalon S fibers whose surfaces have been slightly modified have been tested with classic interphase PyC. Interfacial bonding on minicomposites is weak. Different treatments have been performed on surface fibers to enhance interfacial bonding with BN, which have a better resistance oxidation than PyC. Before, elaboration parameters of BN interphase have been studied.

Les composites à matrice céramique (CMC) sont destinés à remplacer les superalliages comme constituants de l'architecture des chambres de combustion des moteurs aéronautiques. Dans ces conditions, la durée de vie de ces matériaux diminue fortement du fait de leurs dégradations par oxydation. Pour pallier à ce problème, des CMC à matrice autocicatrisante sont élaborés. Ils possèdent la particularité de s'auto-protéger vis-à-vis de l'oxydation par la formation d'oxyde passivant limitant la diffusion des espèces oxydantes au sein des fissures matricielles. Dans le cadre de ces travaux de thèse, la durabilité d'un composite SiC/[Si-B-C] est évaluée. Son comportement en oxydation/corrosion est alors étudié entre 450 et 1000°C sous air à des pressions partielles d'humidité variables. Une approche multi-échelle (échelle constituants et composite) est envisagée pour comprendre les différents mécanismes mis en jeu lors de la non-cicatrisation/cicatrisation du matériau.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un programme de recherche en collaboration avec l’industrie dont l’enjeu est d’utiliser des composites à matrice céramique (CMC) pour la réalisation d’arrière-corps de moteurs pour l’aviation civile.La première partie de ce travail est consacrée à l’étude des fibres de carbure de silicium (Si-C-O) de première génération. Diverses caractérisations physico-chimiques (analyse chimique élémentaire, MEB, MET, spectroscopie Raman, RMN du solide du 29Si et du 13C, DRX…) ont permis d’établir des relations entre la composition chimique, la structure et les propriétés mécaniques des différentes fibres (Nicalon NL série 100 et 200, et Tyranno LoxM, S, ZMI et AM). Une simulation thermodynamique de la phase amorphe intergranulaire SiCxOy a été proposée en s’appuyant sur des données calorimétriques de la littérature obtenues à partir de verres d’oxycarbure de silicium.La seconde partie de ce mémoire est consacrée à l’élaboration par dépôt chimique à partir d’une phase vapeur (CVD) et à la caractérisation de revêtements d’interphase B-C-N. L’influence des conditions d’élaboration (température, pression, composition initiale des gaz) sur la composition chimique des dépôts, leur structure et leur résistance à l’oxydation sous air sec et ambiant a été étudiée. Enfin, les propriétés mécaniques de ces interphases ont été évaluées et des essais de durée de vie ont été réalisés à l’échelle du microcomposite. / This thesis is a part of a research project in partnership with the industry. The aim of the overall project is to design, develop and manufacture exhaust components made of Ceramic Matrix Composites (CMC’s) for civil aircraft engines.The first part of the work deals with the study of first generation silicon carbide fibres (Si-C-O). Various physical and chemical characterizations (quantitative elemental analysis, SEM, TEM, Raman spectroscopy, solid NMR of 29Si and 13C, X-ray diffraction …) were carried out in order to understand the relation between the chemical composition, the structure and the mechanical properties of silicon oxycarbide fibres (Nicalon NL series 100 and 200, and Tyranno LoxM, S, ZMI and AM). Besides, a thermodynamic description of the amorphous SiCxOy phase based on high temperature calorimetry data from the literature is proposed.The second part is devoted to elaboration, by Low Pressure Chemical Vapour Deposition (LP-CVD), and characterization of hexagonal boron carbonitride (B-C-N) coatings. The chemical composition, structure and oxidation resistance (in dry or ambient air) of the coatings were investigated as a function of the deposition conditions (temperature, pressure, initial gas phase composition). Finally, the use of B-C-N coatings as interphases in CMC’s (i.e. their ability to deflect matrix cracks) was investigated by tensile tests on SiC/SiC microcomposites. Their lifetime in static fatigue was also evaluated at 550°C in room atmosphere.