thumb|260px|Surface de cassure d'un composite constitué de fibres de SiC et d'une matrice de SiC.thumb|260px|Coussinets céramiques de paliers de diamètres de en CMC pour de grandes pompes.

Les composites à matrice céramique ou CMC sont des matériaux composites faisant partie des céramiques techniques. Ils sont caractérisés par un ensemble de fibres céramiques incorporées dans une matrice également céramique. Fibres et matrice peuvent en principe être constituées de toutes les céramiques connues, en y incluant même le carbone.

Cet article décrit les composites actuellement disponibles industriellement, les principaux procédés de fabrication, les propriétés essentielles ainsi que quelques exemples de développements et d'applications fructueuses de ce groupe relativement récent de matériaux.

Introduction Dans les développements et applications des céramiques composites, on utilise principalement des fibres de carbone (C) et de carbure de silicium (SiC), et parfois des fibres d'oxyde d'aluminium ou alumine (AlO), ou des cristaux mixtes d'alumine et d'oxyde de silicium ou silice (SiO) appelés mullite (3AlO, 2SiO). Les matériaux utilisés pour la matrice dans les applications techniques sont actuellement principalement l'alumine, la mullite, le carbone et le carbure de silicium.

Le développement de ces céramiques a surgi des problèmes rencontrés dans l'utilisation des céramiques techniques conventionnelles, comme l'alumine, le carbure de silicium utilisé souvent sous forme frittée sous l’abréviation SSiC (de l'anglais Sintered Silicon Carbide), le nitrure d'aluminium (AlN), le nitrure de silicium (SiN), l’oxyde de zirconium(IV) ou zircone (ZrO) : tous ces matériaux se brisent aisément sous des contraintes mécaniques ou thermiques, parce que même de petites imperfections ou rayures en surface peuvent devenir le point de départ d'une fêlure. Le matériau n'oppose à la propagation de la fêlure qu'une faible résistance, comme le verre, contrairement aux métaux plus ductiles. Cela donne un comportement cassant caractéristique, qui complique ou même empêche beaucoup d'usages. Les travaux qui ont eu pour but de limiter ce comportement par l'inclusion de particules hétérogènes, petites fibres monocristallines ou barbes, ou de petites plaques (platelets), n'ont amélioré que modestement leur résistance à la fracture, et n’ont eu d'applications pratiques que dans certains outils coupants céramiques.

Ce n'est qu'avec l'utilisation de longues fibres pour le renfort de la céramique qu'on a pu améliorer de façon drastique la résistance à la rupture, ainsi que d'autres propriétés comme la possibilité d'allongement, la résistance à la rupture et au choc thermique, ce qui a ouvert et ouvre encore de nouveaux champs d'application.

D'habitude, on décrit les CMC sous la forme « type de fibre/type de matrice ». Ainsi « C/C » décrit du carbone renforcé par des fibres de carbone, « C/SiC » du carbure de silicium renforcé par des fibres de carbone. Si l'on veut inclure dans l’abréviation le mode de fabrication, on utilise le schéma « procédé-fibre/matrice ». On désignera le carbure de silicium renforcé par fibres de carbone au moyen du procédé d'infiltration de polymère liquide (LPI) par « LPI-C/SiC ». Ce type d'abréviation sera utilisé ci-dessous.

Les principaux CMC actuellement disponibles industriellement sont C/C, C/SiC, SiC/SiC, AdR/IEn et AlO/AlO. Ils diffèrent des céramiques techniques conventionnelles principalement par les propriétés suivantes qui seront détaillées ci-après. Allongement avant cassure agrandi jusqu'à 1 % significativement meilleure résistance à la cassure résistance extrême au choc thermique meilleure résistance aux charges dynamiques propriétés anisotropes définies par l’orientation des fibres

Remarques sur les fibres céramiques thumb|Coupe à travers un composite SiC/SiC de structure 3D de fibres tissées.

Une fibre, également appelé monofilament, a un diamètre compris entre 6 et 20 micromètre. Sous le nom de fibre céramique, dans le contexte des composites, on ne comprend pas seulement, comme pour les céramiques techniques, des structures de matériaux polycristallins, mais aussi des matériaux avec un arrangement des atomes amorphe. En raison de la haute température de fabrication des composites, l'utilisation de fibres non seulement organiques, mais même en métal ou en verre, est exclue. Seules des fibres céramiques résistant aux hautes températures : alumine cristalline, mullite, carbure de silicium cristallin, zircone, carbone avec les plans graphitiques orientés le long de la fibre, ainsi que carbure de silicium amorphe sont utilisés en pratique. Toutes ces fibres « céramiques » se caractérisent par un allongement à la rupture atteignant jusqu'à 2 %, bien supérieur à celui des céramiques normales (de ). La cause en est que les fibres céramiques contiennent divers additifs définis par le fabricant (p. ex. de l’oxygène, du titane, de l'aluminium), sans lesquels les fibres de SiC ne pourraient pas atteindre un allongement à la rupture de 2 % et une résistance à la traction de plus de .

Avec ces propriétés, les fibres peuvent aussi être tissées en structures à deux ou trois dimensions (voir figure). Dans le travail, par exemple le tissage, les fibres doivent présenter de hautes résistances à la traction et résister à de petits rayons de courbure.

Fils et renfort fibreux thumb|Une structure 4D est réalisée en disposant des baguettes de fibres céramiques (obtenues par pultrusion de fils) selon les directions des 4 diagonales d’un cube. Les fils sont en fait les produits de base que l’on trouve sur le marché. Ce sont eux qui servent à la réalisation des matériaux composites.

Ils comportent de 500 monofilaments (pour les fils les plus fins) à monofilaments (pour les plus gros câbles).

Au sein d’un fil, compte tenu du grand nombre de monofilaments, la dispersion intrinsèque des propriétés à rupture des fibres se trouve moyennée. C’est cette valeur qui est affichée par les producteurs.

Compte tenu de leur faible diamètre et de leur fort allongement à rupture, les fibres, malgré leur module très élevé, peuvent être facilement cintrées. De ce fait il est possible d’utiliser les machines textiles standards pour réaliser des renforts fibreux adaptés à la géométrie et aux sollicitations des pièces à réaliser.

Tous les procédés de fabrication de renforts textiles utilisés dans les composites à matrice organique (de type Carbone-époxy par exemple) sont également utilisés pour les CMC : tissage, tressage, nappage, bobinage.

Les pièces qui sont réalisées avec des CMC sont des pièces qui travaillent en température (de 400 à plus de ) et qui présentent des champs de température hétérogènes variant au cours du temps. De ce fait les pièces sont soumises à des champs de contraintes d’origine thermique (champ de dilatation thermique hétérogène) créateurs de contraintes de traction et de cisaillement dans toutes les directions. Un matériau uniquement constitué d’un empilement de strates de tissus 2D périrait rapidement par délaminage (fissuration de la matrice entre les couches de tissus). C’est pourquoi la plupart des pièces en CMC utilisent des renforts fibreux de type 2,5 ou nD (avec n ≥ 3).

Les techniques de réalisation de renforts multidirectionnels les plus employés sont l’aiguilletage, le tissage multicouche, le tressage multicouche et le 4D.

Une structure 4D est réalisée en disposant des baguettes (obtenues par pultrusion de fils) selon les directions des 4 diagonales d’un cube.

Les renforts fibreux multidirectionnels sont caractérisés par : un taux de fibres global compris entre 20 et 40 % ; une distribution de la taille des pores avec deux domaines : une porosité intra fil de l’ordre du micromètre et une porosité inter fils pouvant aller de

Procédés de fabrication La fabrication de pièces en céramique composite suit en règle générale trois étapes : Dépôt et fixation des fibres sous la forme souhaitée pour la pièce Apport de la matrice céramique entre les fibres Finissage, et si besoin étapes ultérieures, comme l'addition de couches supplémentaires

Enfin, et pour tous les types, les première et dernière étapes sont à peu près les mêmes :

La première étape est le dépôt et la fixation des fibres (rovings), semblable à l'étape analogue dans la fabrication des polymères composites : par exemple, le dépôt d'un tissu de fibres, l'enroulement, le tressage ou le tricotage des fibres.

La dernière étape est d'habitude l'usage de techniques d'usinage conventionnelles : meulage, alésage, rodage ou fraisage, avec des outils de diamant comme pour toutes les céramiques. En raison des propriétés spéciales des composites, on peut aussi utiliser sans problème des techniques de découpage par jet d'eau ou laser.

La deuxième étape est pratiquée actuellement au moyen de cinq procédés pour faire entrer la matrice céramique entre les fibres : dépôt de la céramique à partir d'un mélange gazeux ; création par pyrolyse d'un polymère contenant des atomes de Si et de C ; création par réaction chimique ; création par frittage à température plus basse () ; création par électrophorèse de poudre céramique

Le cinquième procédé n'en est pas encore à l'exploitation industrielle.

Tous les autres connaissent déjà des variantes, qui se distinguent par des détails techniques, ou par leurs combinaisons. On peut les consulter dans des ouvrages spécialisés, dans les revues techniques et dans les comptes-rendus de congrès. Il ne sera traité dans la suite de l'article que d'une description simplifiée.

Les trois premiers procédés sont pratiquement utilisés pour la fabrication des composites non oxydes, le quatrième pour la fabrication des oxydes.

Tous ces procédés ont un point commun : comme il sera montré par la suite, ils conduisent à une matrice poreuse.

Détails des divers procédés Dépôt de la matrice à partir d'un mélange de gaz Ce procédé est dérivé de celui de dépôt de couches, dans lequel un certain gaz, ou mélange de gaz, dépose du matériau sur un substrat chauffé. On le désigne par les initiales CVD (de l'anglais , ou dépôt chimique en phase vapeur).

Pour l'utilisation de ce procédé, après avoir formé une structure de fibres avec la forme de la pièce à construire, le matériau se dépose à la surface des fibres à la surface et à l'intérieur de la pièce. On appelle aussi ce procédé « infiltration de gaz chimique » ( ou CVI).

Un exemple en est le procédé de fabrication de C/C : un modèle en fibres de carbone est sous certaines conditions de pression (en général moins de ) et de température (en général plus de traversé par un mélange d'argon et de méthane (CH) ou de propane (CH). Ces gaz craquent à la surface des fibres, y déposant du carbone tandis que le dihydrogène provenant de leur décomposition est entraîné par l’argon.

Un autre exemple est le dépôt de carbure de silicium. Pour cela, on utilise généralement un mélange d'hydrogène, qui sert de catalyseur, et de méthyltrichlorosilane (MTS, de formule CHSiCl), qui joue aussi un rôle dans la fabrication des silicones. Les atomes de carbone et de silicium de la molécule de MTS forment sur toute surface chauffée à plus de du carbure de silicium, tandis que les atomes résiduels d'hydrogène et de chlore se combinent pour former du HCl qui est entraîné par le courant d'hydrogène.

Ce procédé forme obligatoirement des pores fermés, quand les ouvertures où passe le gaz sont toutes fermées par les dépôts.

Création de matrice par pyrolyse de polymères contenant du carbone et du silicium Certains polymères hydrocarbonés donnent du carbone par pyrolyse, en diminuant de volume et en dégageant du gaz. Les polymères où une partie des atomes de carbone sont remplacés par du silicium, appelés carbosilanes, donnent par pyrolyse de la même manière, du carbure de silicium amorphe, la plupart du temps enrichi en carbone, avec une diminution de volume et un dégagement gazeux.