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To achieve satisfactory levels of strength, fracture toughness, and reliability for man-rated systems such as jet engines, fiber reinforced ceramic matrix composites are needed. An elevated temperature axial testing system is developed to investigate and characterize fatigue behavior of Nicalon fiber reinforced enhanced silicon carbide matrix. composites at 1800 of under fully reversed cyclic loading. Notch effect on quasi-static tensile response is also considered. Quasi-static and fatigue damage mechanisms and failure modes are examined using various specimen geometries, load levels, fatigue ratios, and laminates stacking sequences by employing a number of NDE techniques. Issues such as damage tolerance and durability are addressed by conducting interrupted fatigue tests at various stages of life for different load levels. Results are compared to the predictions of remaining strength and life, obtained using a performance simulation code. Initial results indicate existence of a threshold stress value which limits the use of the material system. / Ph. D.

Les composites à matrice céramique sont utilisés dans les moteurs aéronautiques en raison de leur stabilité à haute température et de leurs propriétés mécaniques. Cependant, quand ils sont soumis à des environnements sévères (haute température, haute pression, environnement oxydant et humide), ils s'oxydent et se dégradent dû à la volatilisation de la silice protectrice formée en surface par oxydation du CMC. Par conséquent, pour augmenter la durée de vie de ces matériaux, il est nécessaire d'appliquer une protection externe contre la corrosion. Ceci constitue l'objectif de ma thèse. La démarche expérimentale a été la suivante : (i) identification des matériaux de revêtement à étudier ; (ii) validation du choix des matériaux par étude de leur stabilité structurale et de leurs compatibilités chimique et thermomécanique avec le substrat ; (iii) étude de la stabilité des matériaux de revêtement sous atmosphère corrosive et enfin (iv) comportement des revêtements sur composites. / The ceramic matrix composites can be used in aeronautic engines due to their high temperature stability and their mechanical properties. However, under a corrosive environment, an oxidation and then a recession of the CMC occured because of the volatilization of the silica scale formed at the surface of the composite. Consequently, in order to increase the lifetime of such materials, a external protection against corrosion is required. This is the aim of my Ph-D thesis. The experimental approach is the following : (i) identification of the coating materials ; (ii) validation of the selected materials by studying their structural stability and their chemical and thermomechanical compatibilities with the substrate ; (iii) determination of the thermal stability of the materials under a corrosive environment and (iv) behaviour of the coatings onto the CMC.

Cette thèse s‘inscrit dans le contexte de l‘étude de matériaux fibreux tissés et traite de l‘analyse morphologique de leur texture et de la simulation des arrangements des fibres dans un fil. Le volet « analyse » consiste à extraire des données caractérisant la géométrie des fibres et des fils composant le renfort tissé et s‘appuie sur des images tridimensionnelles issues de tomographies rayon X à haute résolution. Une chaine de traitement d‘images visant à séparer et identifier les fils et les fibres est proposée. Elle s‘appuie sur un algorithme de labellisation du fil et des fibres. Les caractéristiques telles que les diamètres et les orientations de fibres et la densité locale de fibres dans le fil sont ensuite calculées. Le volet « simulation » vise à générer un renfort fibreux « virtuel ». Un algorithme fondé sur la résolution de modèles dynamiques permet de placer au sein d‘un fil, des objets représentant les fibres tout en respectant des contraintes issues des paramètres issus du volet « analyse » ou choisis arbitrairement par l‘utilisateur. L‘ensemble des fibres composant le fil sont alors synthétisés en respect de ces contraintes. Ces deux volets sont appliqués avec succès à la caractérisation et à la synthèse de renforts fibreux de composites thermostructuraux. Les caractéristiques géométriques, estimées sur des tomographies à haute résolution, font ressortir des phénomènes tels que le cisaillement intra fils. La synthèse permet de simuler le placement de fibres à partir de paramètres géométriques obtenus à haute résolution, au sein d‘un fil dont l‘enveloppe est obtenue à basse résolution et donc sur une longueur plus représentative du tissage. / The aim of this work is to study fibrous woven materials and to develop morphological analysis of their texture enabling simulation of fibrous layout in yarns. The ―analysis‖ stage consists in data extraction to characterize the geometry of fibers and yarns constituting the woven material, based on tridimensional images generated by high resolution X-ray tomography. An image processing workflow to separate and identify fibers and yarn is proposed. Then, diameters, fiber orientations and local fiber density in yarns are computed. The ―simulation‖ stage targets to generate virtual fibrous materials. An algorithm based on the resolution of a dynamic model allows placing objects representing fibers into a yarn. It uses as input the characteristic parameters previously extracted in the analysis stage or arbitrarily chosen ones. Consequently, all fibers are synthesized according to these constraints. These two stages are successfully applied to characterize and synthesize woven ceramic matrix composites. Geometrical characteristics, extracted from the high-resolution tomographic images, highlight yarn phenomena like shearing planes. The synthesis simulates fibers placement, merging geometrical parameters extracted on high and low resolution. Indeed, using fiber parameters extracted from high resolution images and yarn envelopes from low resolution ones enable generating a result with a more representative woven length.

This thesis outlines the work done on in-situ synthesis of Al2O3-ZrO2-SiCw ceramic composites and their property evaluation. The introductory chapter deals with the literature survey on ceramic matrix composites, properties desirable for structural applications and toughening mechanisms associated with these composites. The role of whisker toughening in ceramic matrix composites, the growth mechanisms involved in whisker growth and the conditions that favour or hamper the whisker growth are also discussed. The advantages and disadvantages of in-situ synthesis of composites as compared to physical mixing are also dealt with. The objective and scope of the work undertaken are outlined at the end. The second chapter describes the experimental techniques associated with carbothermal synthesis and characterisation of reaction products as well as properties of hot pressed bulk composites. The equipments used for this work are described here. The third chapter focuses on the results obtained by the carbothermal reduction of mixtures of kaolin, sillimanite and zircon taken in various proportions. The formation of the product phases with respect to variations in temperature, variations in composition and effect of catalyst is analysed with the help of XRD while their morphology is analysed using SEM. The conditions favouring the formation of tetragonal zirconia without the addition of stabilizers is also enumerated here. The fourth chapter deals with the compaction of these composite powders and the evaluation of some physical, thermal and mechanical properties. Density and porosity, coefficient of thermal expansion, modulus of rupture and fracture toughness of the composite specimens are evaluated and compared with binary and ternary composites made by other methods. Finally the thesis concludes by summarizing the work done and briefly projecting the areas for future work.

Carbon nanotubes (CNTs) were successfully grown on the surface of carbon fibre reinforcements in carbon fibre architecture through in-situ catalytic chemical vapour deposition (CCVD). Success was also implemented on powders of oxides and non-oxides, including Y-TZP powder, ball milled alumina powder, alumina grits, silicon carbide powder. Preliminary results have been achieved to demonstrate the feasibility of making ceramic composites consisting of CNTs reinforcements.

Die exzellenten Eigenschaften einer Keramik beziehen sich auf den hohen Schmelzpunkt, die gute Hochtemperaturfestigkeit sowie hohe Elastizitätsmodul- und Härtewerte. Weiterhin zeichnen sich die anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffebesonders durch ihre gute Korrosions- und Verschleißbeständigkeit aus.Bedingt durch die erschwerte Versetzungsbewegung weisen keramische Werkstoffeeine höhere Sprödigkeit auf. Metallische Werkstoffedagegen sind in der Regel duktil und zeigen meist ein duktiles Bruchverhalten. Lokale Spannungsspitzen können durch plastische Verformung abgebaut werden.Das Ziel dieser Arbeit ist es, das grundsätzlich unterschiedliche Werkstofferhalten einer Keramik und eines Metalls miteinander zu kombinieren, um die Bruchzähigkeit des Keramik-Metall-Verbundwerkstoffes zu erhöhenDie fein verteilten Metalle sollen die Rissausbreitung behindern. Es können unterschiedliche Mechanismen wirken. Im Vergleich zur unverstärkten Keramik ist eine höhere Bruchenergie aufzubringen, um den Riss voran zu treiben. Die Erhöhung der Bruchenergie spiegelt sich in einer höheren Bruchzähigkeit wieder.Um eine duktile Phase in einer spröden Zirkoniumdioxidmatrix zu erzeugen, werden für die Untersuchungen unterschiedliche Metalle eingebracht. Dadurch soll die Bruchzähigkeit als Schadenstoleranz gegenüber dem Totalversagen erhöht werden. Die resultierenden Eigenschaften der Keramik-Metall-Verbundwerkstoffewerden analysiert und charakterisiert.Die Untersuchungen umfassen das pulvermetallurgische Einbringen von metallischen Pulvern mit verschiedenen Teilchengrößen sowie die chemische Einbringung von Präkursoren, die in nanokristalline Metallpartikel umgewandelt werden. Dabei kommen verschiedene Metalle mit unterschiedlichen Wechselwirkungen und Spannungen durch thermische Fehlpassungen in der Matrix zur Anwendung. Zusätzlich wird die Auswirkung der Variation der Verstärkungsform (Partikel/Faser) und des Metallgehaltes untersucht.

Dans le but d’une introduction en aéronautique civile, la certification des composites à matrice céramique(CMC) requiert la justification de la tenue du matériau durant toute la durée de vie de l’avion (50000h environ),dans des milieux oxydants à haute température et sous les contraintes élevées rencontrées en application. Lebut de cette thèse est d’identifier comment accélérer les essais de vieillissement pour obtenir sur de pluscourtes périodes de temps des essais représentatifs du comportement du matériau en conditions standard. Lecomposite étudié étant doté d’une matrice auto-cicatrisante dont l’efficacité est liée de manière complexe à latempérature et à l’humidité présente dans le milieu oxydant, une compréhension fine des mécanismes dedégradation est nécessaire afin de choisir des leviers d’accélération pertinents. L’influence de paramètresd’essai sélectionnés (pression partielle d’eau, type de chargement mécanique, fréquence de cyclagemécanique, température) sur les cinétiques d’endommagement est analysée, tout en vérifiant que lesmécanismes de dégradation ne sont pas modifiés. La mise en place de méthodes de suivi d'endommagementnon-destructives est indispensable pour quantifier en temps réel les niveaux de dégradation des matériauxsous différentes conditions expérimentales: le suivi par émission acoustique a été utilisé et une techniqueoriginale de suivi par mesure de résistance électrique durant des essais de longue durée a été développée.Deux modèles électro-mécaniques ont été proposés concernant l’évolution de résistance électrique àtempérature ambiante et sous conditions oxydantes. Des estimations de durées de vie basées sur cestechniques ont permis de proposer une méthodologie vers l’accélération d’essais sur CMC. / With the aim of an introduction in civil aeronautics, the certification of Ceramic Matrix Composites (CMC)requires to demonstrate the correct behavior of the material during the whole lifetime of the aircraft (about50000h), in high-temperature oxidizing environments and under the stress levels required by the applications.The goal of this thesis is to identify a methodology to accelerate ageing tests in order to get, in shorterdurations, results that are representative of the behavior of the material in standard conditions. The studiedcomposite includes a self-healing matrix which efficiency is linked in a complex way to temperature andhumidity. A thorough understanding of degradation mechanisms is therefore required in order to identifyrelevant accelerating levers. The influence of the selected test parameters (water partial pressure, type ofmechanical loading, frequency of cyclic loading, temperature) on the damage kinetics has been analyzed, whilechecking that the damage mechanisms were not modified. Non destructive monitoring techniques are essentialto quantify in real time the damage level of materials under different test conditions: acoustic emissionmonitoring has been used, and an original method of damage monitoring using electrical resistivity has beendeveloped. Two electromechanical models were proposed, describing the evolution of electrical resistance atroom temperature and under oxidizing conditions. Lifetime estimations based on these techniques led topropose a methodology towards accelerated testing on CMCs.

Le comportement mécanique non linéaire des composites à matrice céramique SiC/SiC tissés 3D résultede la microfissuration de ses constituants fragiles. Cet endommagement induit une variation descomposantes du tenseur de rigidité. La caractérisation ultrasonore de ce tenseur a nécessité l’utilisationd’un algorithme d’optimisation génétique robuste à un mélange prononcé des modes acoustiques. Le suivisous charge de ces propriétésmacroscopiques a conduit à identifier les mécanismes d’endommagement etles réseaux de fissuration. Trois régions de microfissuration matricielle : inter-fils, intra-fils transversaux etintra-fils longitudinaux, ont été localisés par analyse micrographique. Les densités associées ont été corréléesaux cinétiques d’endommagement mesurées par ultrasons, reliant la réponse macroscopique dumatériauà son endommagement microstructural. L’introduction de ces réseaux et de leur cinétique d’évolutiondans une modélisation multi-échelle du composite, a permis de confirmer les variations expérimentales desrigidités et d’accéder aux longueurs de décohésion de chaque réseau, quantités difficilement mesurables. / The non-linear mechanical behaviour of CMC involves the initiation and growth of micro-cracks. Ata macroscopic scale, mechanisms of damage can be associated with changes in the stiffness tensor components.By using an ultrasonic device coupled with a tensile machine, a spectro-interferometry methodallows the characterisation of materials during their damaging and thus, the measurement of the state ofmaterial cracking. Ultrasonic test results have yielded a typical behaviour of the 3D SiC/SiC composite. Twoarrays of multi-scale cracks are detected: i) crack perpendicular to the load, i.e., the transverse cracking, ii)debonding on interfaces yarn / matrix or fibre / matrix. The simultaneous use of ultrasonic characterisationresults and micrographic observations under load lead to make assumptions about the kinetics of crackingof these materials: i) transverse matrix cracking between yarns, ii) superimposed on the transverse crackingof transversal yarns, iii) when those both arrays of cracking saturate, transverse cracking reaches the longitudinalyarns. This microscopic cracking array is coupled to matrix/fibre debonding. The micrographicobservations made during a tensile test have been used to estimate the density of transverse cracking versusthe applied stress. The lengths of the decohesion are not measured but can be estimated by comparisonwith amulti-scale modelling.

Hypersonic aerospace vehicles are severely limited by the lack of adequate high temperature materials that can withstand the harsh hypersonic environment. Tantalum carbide (TaC), with a melting point of 3880°C, is an ultrahigh temperature ceramic (UHTC) with potential applications such as scramjet engines, leading edges, and zero erosion nozzles. However, consolidation of TaC to a dense structure and its low fracture toughness are major challenges that make it currently unviable for hypersonic applications. In this study, Graphene NanoPlatelets (GNP) reinforced TaC composites are synthesized by spark plasma sintering (SPS) at extreme conditions of 1850˚C and 80-100 MPa. The addition of GNP improves densification and enhances fracture toughness of TaC by up to ~100% through mechanisms such as GNP bending, sliding, pull-out, grain wrapping, crack bridging, and crack deflection. Also, TaC-GNP composites display improved oxidation behavior over TaC when exposed to a high temperature plasma flow exceeding 2500 ˚C.