Description Description
Titre de l'invention : Procédé d'infiltration ou de dépôt chimique en phase vapeur Title of the invention: Process for infiltration or chemical vapor deposition
Domaine Technique Technical area
La présente invention concerne un procédé d’infiltration ou de dépôt chimique en phase vapeur dans lequel du pyrocarbone est formé à partir d’une phase gazeuse comprenant un composé précurseur de pyrocarbone et du dioxyde de carbone. The present invention relates to a chemical vapor infiltration or deposition process in which pyrocarbon is formed from a gas phase comprising a pyrocarbon precursor compound and carbon dioxide.
Technique antérieure Prior art
Il est connu de revêtir ou de densifier des substrats par du pyrocarbone (aussi appelé carbone pyrolytique) par placement de ces substrats dans un four dans lequel on introduit un gaz réactif contenant un précurseur de pyrocarbone constitué par un hydrocarbure. La pression et la température dans le four sont réglées pour produire le revêtement ou la matrice de pyrocarbone par décomposition du It is known to coat or densify substrates with pyrocarbon (also called pyrolytic carbon) by placing these substrates in an oven into which a reactive gas containing a pyrocarbon precursor consisting of a hydrocarbon is introduced. The pressure and the temperature in the oven are adjusted to produce the coating or the matrix of pyrocarbon by decomposition of the
précurseur hydrocarbure. hydrocarbon precursor.
Le gaz effluent contenant des sous-produits de réaction est extrait du four par pompage. Les sous-produits de réaction comprennent des composés organiques qui ont une température de solidification assez élevée, en particulier des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) tels que, notamment, le naphtalène, le pyrène, l’anthracène ou l'acénaphtylène. The effluent gas containing reaction by-products is removed from the furnace by pumping. The reaction by-products include organic compounds which have a fairly high solidification temperature, in particular polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) such as, in particular, naphthalene, pyrene, anthracene or acenaphthylene.
Par condensation, ces sous-produits de réaction forment des goudrons qui ont tendance à se déposer dans les canalisations de sortie du four lorsque le gaz effluent se refroidit. Ces goudrons se retrouvent également dans le dispositif de pompage, par exemple dans l'huile de pompe à vide ou dans les condensais d'éjecteurs à vapeur. By condensation, these reaction by-products form tars which tend to deposit in the furnace outlet pipes when the effluent gas cools. These tars are also found in the pumping device, for example in the vacuum pump oil or in the condensers of steam ejectors.
Il est donc souhaitable d’améliorer les procédés de formation de pyrocarbone en limitant la génération de HAP. It is therefore desirable to improve the pyrocarbon formation processes by limiting the generation of PAHs.
Exposé de l’invention
L’invention vise, selon un premier aspect, un procédé d’infiltration ou de dépôt chimique en phase vapeur, comprenant au moins : Statement of the invention The invention relates, according to a first aspect, to a method of infiltration or chemical vapor deposition, comprising at least:
- la formation de pyrocarbone dans la porosité d’un substrat poreux ou sur une surface d’un substrat, le substrat étant placé dans une enceinte réactionnelle et le pyrocarbone étant formé à partir d’une phase gazeuse introduite dans l’enceinte réactionnelle, cette phase gazeuse comprenant au moins un composé précurseur de pyrocarbone et du dioxyde de carbone. the formation of pyrocarbon in the porosity of a porous substrate or on a surface of a substrate, the substrate being placed in a reaction vessel and the pyrocarbon being formed from a gaseous phase introduced into the reaction vessel, this gas phase comprising at least one precursor compound of pyrocarbon and carbon dioxide.
Le composé précurseur de pyrocarbone constitue un composé connu en soi permettant d’obtenir le pyrocarbone par technique d’infiltration ou de dépôt chimique en phase vapeur. L’introduction du dioxyde de carbone CO2 dans l’enceinte réactionnelle en plus du composé précurseur de pyrocarbone permet The pyrocarbon precursor compound constitutes a compound known per se making it possible to obtain pyrocarbon by infiltration technique or chemical vapor deposition. The introduction of carbon dioxide CO2 into the reaction vessel in addition to the precursor compound of pyrocarbon allows
avantageusement de produire du dihydrogène durant la formation du pyrocarbone qui permet de limiter la production de HAP. advantageously to produce dihydrogen during the formation of the pyrocarbon which makes it possible to limit the production of PAHs.
Dans un exemple de réalisation, on impose une teneur volumique en dioxyde de carbone dans la phase gazeuse inférieure ou égale à 15%, cette teneur étant prise au moment de l’introduction de la phase gazeuse dans l’enceinte réactionnelle. In an exemplary embodiment, a volume content of carbon dioxide in the gas phase is imposed less than or equal to 15%, this content being taken at the time of the introduction of the gas phase into the reaction vessel.
Il est avantageux de limiter la teneur en dioxyde de carbone dans la phase gazeuse afin de limiter le caractère oxydant de celle-ci. It is advantageous to limit the content of carbon dioxide in the gas phase in order to limit the oxidizing nature of the latter.
En particulier, la teneur volumique en dioxyde de carbone dans la phase gazeuse peut être inférieure ou égale à 10%, par exemple inférieure ou égale à 7%, voire inférieure ou égale à 5%. La teneur volumique en dioxyde de carbone dans la phase gazeuse peut être supérieure ou égale à 2%, par exemple supérieure ou égale à 3%. In particular, the volume content of carbon dioxide in the gas phase may be less than or equal to 10%, for example less than or equal to 7%, or even less than or equal to 5%. The volume content of carbon dioxide in the gas phase may be greater than or equal to 2%, for example greater than or equal to 3%.
En particulier, la teneur volumique en dioxyde de carbone dans la phase gazeuse peut être comprise entre 2% et 15%, par exemple entre 2% et 10%, par exemple entre 2% et 7%. La teneur volumique en dioxyde de carbone dans la phase gazeuse peut en particulier être comprise entre 3% et 15%, par exemple entre 3% et 10%, voire entre 3% et 7%. In particular, the volume content of carbon dioxide in the gas phase can be between 2% and 15%, for example between 2% and 10%, for example between 2% and 7%. The volume content of carbon dioxide in the gas phase may in particular be between 3% and 15%, for example between 3% and 10%, or even between 3% and 7%.
Dans un exemple de réalisation, le composé précurseur de pyrocarbone est un hydrocarbure.
En particulier, le composé précurseur de pyrocarbone peut être un hydrocarbure linéaire. In an exemplary embodiment, the pyrocarbon precursor compound is a hydrocarbon. In particular, the pyrocarbon precursor compound can be a linear hydrocarbon.
L’emploi d’un hydrocarbure linéaire est avantageux car il améliore la cinétique de formation du dihydrogène et donc limite davantage encore la production de HAP. L’invention n’est toutefois pas limitée à la mise en œuvre d’un hydrocarbure en tant que composé précurseur de pyrocarbone. Le composé précurseur de pyrocarbone peut en variante être un alcool ou un polyalcool. Par « alcool », il faut comprendre un composé ayant une seule fonction alcool. Par « polyalcool », il faut comprendre un composé ayant plusieurs fonctions alcool. L’invention vise également un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice au moins partiellement en pyrocarbone, le procédé comprenant au moins : The use of a linear hydrocarbon is advantageous because it improves the kinetics of formation of dihydrogen and therefore further limits the production of PAHs. The invention is not however limited to the use of a hydrocarbon as a precursor compound of pyrocarbon. The pyrocarbon precursor compound may alternatively be an alcohol or a polyalcohol. By "alcohol" is meant a compound having a single alcohol function. By “polyalcohol” is meant a compound having several alcohol functions. The invention also relates to a process for manufacturing a part made of a matrix composite material at least partially made of pyrocarbon, the process comprising at least:
- la densification du substrat poreux formant une préforme fibreuse de la pièce à obtenir par une phase de matrice de pyrocarbone par infiltration chimique en phase vapeur en réalisant un procédé tel que décrit plus haut. - densification of the porous substrate forming a fibrous preform of the part to be obtained by a pyrocarbon matrix phase by chemical vapor infiltration by carrying out a process as described above.
La préforme fibreuse peut être formée de fils en matériau céramique ou en carbone. The fibrous preform can be formed from wires made of ceramic material or carbon.
Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse a une forme annulaire et est en fibres de carbone. In an exemplary embodiment, the fiber preform has an annular shape and is made of carbon fibers.
Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse peut être formée en une seule pièce par tissage tridimensionnel ou à partir d’une pluralité de strates fibreuses bidimensionnelles. In an exemplary embodiment, the fiber preform can be formed in one piece by three-dimensional weaving or from a plurality of two-dimensional fiber layers.
Dans un exemple de réalisation, la pièce est une pièce de friction, par exemple un disque de frein comme un disque de frein d’avion. In an exemplary embodiment, the part is a friction part, for example a brake disc such as an airplane brake disc.
En variante, la pièce de friction peut être un disque de frein pour un véhicule terrestre, notamment une automobile, ou une pièce de friction autre qu’un disque, notamment un patin de frein. Alternatively, the friction part may be a brake disc for a land vehicle, in particular an automobile, or a friction part other than a disc, in particular a brake shoe.
Description des modes de réalisation Description of the embodiments
On va maintenant décrire les étapes d’un mode de réalisation où un substrat poreux est densifié par une phase de matrice de pyrocarbone. Dans ce cas, il est mis en
œuvre une technique d’infiltration chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » ; « CVI »). We will now describe the steps of an embodiment where a porous substrate is densified by a pyrocarbon matrix phase. In this case, it is set uses a chemical vapor infiltration technique (“Chemical Vapor Infiltration”; “CVI”).
Selon une variante, le pyrocarbone peut être formé sur la surface externe du substrat. Dans ce cas, il est mis en œuvre une technique de dépôt chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Déposition » ; « CVD »). Alternatively, the pyrocarbon can be formed on the outer surface of the substrate. In this case, a chemical vapor deposition technique (“CVD”) is used.
La description qui suit décrit un exemple de technique CVI mais s’applique mutatis mutandis au cas où une technique CVD est mise en œuvre. L’homme du métier sait de par ses connaissances générales adapter les conditions opératoires pour passer de la technique CVI à la technique CVD ou de la technique CVD à la technique CVI. The following description describes an example of CVI technique but applies mutatis mutandis in case a CVD technique is implemented. The person skilled in the art knows from his general knowledge to adapt the operating conditions to move from the CVI technique to the CVD technique or from the CVD technique to the CVI technique.
Le substrat poreux est tout d’abord formé durant une première étape. Le substrat poreux présente une porosité accessible destinée à être en tout ou partie remplie par le pyrocarbone issu de la phase gazeuse. The porous substrate is first formed during a first step. The porous substrate has an accessible porosity intended to be wholly or partly filled with pyrocarbon from the gas phase.
Le substrat poreux peut être une préforme fibreuse ayant la forme d’une pièce en matériau composite à obtenir. La préforme fibreuse est destinée à constituer le renfort fibreux de la pièce à obtenir. The porous substrate can be a fibrous preform having the shape of a part made of composite material to be obtained. The fibrous preform is intended to constitute the fibrous reinforcement of the part to be obtained.
La préforme fibreuse peut comporter une pluralité de fils céramiques ou en carbone ou encore un mélange de tels fils. On peut par exemple utiliser des fils de carbure de silicium fournis par la société japonaise NGS sous la référence « Nicalon », « Hi- Nicalon » ou encore « Hi-Nicalon Type S ». Les fils de carbone utilisables sont, par exemple, fournis sous la dénomination Torayca T300 3K par la société Toray. The fiber preform may include a plurality of ceramic or carbon threads or a mixture of such threads. One can for example use silicon carbide wires supplied by the Japanese company NGS under the reference "Nicalon", "Hi-Nicalon" or even "Hi-Nicalon Type S". The carbon wires which can be used are, for example, supplied under the name Torayca T300 3K by the company Toray.
La préforme fibreuse peut être obtenue à partir d’au moins une opération textile mettant en œuvre les fils. The fiber preform can be obtained from at least one textile operation using the threads.
Selon un exemple, la préforme fibreuse peut être réalisée par superposition de strates découpées dans une texture fibreuse en fils de précurseur de carbone, liaison des strates entre elles, par exemple par aiguilletage, et transformation du précurseur en carbone par traitement thermique. On peut aussi réaliser la préforme directement à partir de strates de texture fibreuse en fils de carbone qui sont superposées et liées entre elles par exemple par aiguilletage. According to one example, the fibrous preform can be produced by superimposing layers cut from a fibrous texture into son of carbon precursor, bonding the layers together, for example by needling, and transformation of the precursor into carbon by heat treatment. The preform can also be produced directly from layers of fibrous texture made of carbon threads which are superimposed and bonded together for example by needling.
On peut aussi réaliser une préforme annulaire par enroulement en spires It is also possible to produce an annular preform by winding in turns
superposées d'un tissu hélicoïdal en fils de précurseur de carbone, liaison des spires entre elles, par exemple par aiguilletage, et transformation du précurseur par
traitement thermique. On pourra par exemple se référer aux documents US 5 792 715, US 6 009 605 et US 6 363 593. superimposed with a helical fabric in carbon precursor threads, bonding of the turns between them, for example by needling, and transformation of the precursor by heat treatment. We can for example refer to documents US 5,792,715, US 6,009,605 and US 6,363,593.
Selon une variante, on peut obtenir la préforme fibreuse par tissage multicouches ou tridimensionnel de tels fils. Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », il faut comprendre un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaîne lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame. Une inversion des rôles entre chaîne et trame est possible dans le présent texte et doit être considérée comme couverte aussi par les revendications. La préforme fibreuse peut, par exemple, présenter une armure multi-satin, c’est-à- dire être un tissu obtenu par tissage tridimensionnel avec plusieurs couches de fils de trame dont l’armure de base de chaque couche est équivalente à une armure de type satin classique mais avec certains points de l’armure qui lient les couches de fils de trame entre elles. En variante, la préforme fibreuse peut présenter une armure interlock. Par « armure ou tissu interlock », il faut comprendre une armure de tissage 3D dont chaque couche de fils de chaîne lie plusieurs couches de fils de trame avec tous les fils de la même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l’armure. Différents modes de tissage multicouches utilisables pour former la préforme fibreuse sont décrits dans le document WO 2006/136755. II est aussi possible de partir de textures fibreuses telles que des tissus According to a variant, the fibrous preform can be obtained by multilayer or three-dimensional weaving of such threads. By “three-dimensional weaving” or “3D weaving”, it is necessary to understand a mode of weaving by which at least some of the warp threads link weft threads on several layers of weft. A reversal of the roles between warp and weft is possible in the present text and should be considered as also covered by the claims. The fibrous preform may, for example, have a multi-satin weave, that is to say be a fabric obtained by three-dimensional weaving with several layers of weft threads, the base weave of each layer of which is equivalent to one weave of the classic satin type but with certain points of the weave which link the layers of weft threads together. Alternatively, the fiber preform may have interlock weave. By “interlock weave or fabric”, it is necessary to understand a 3D weaving weave in which each layer of warp threads links several layers of weft threads with all the threads of the same warp column having the same movement in the plane of the armor. Different multilayer weaving modes which can be used to form the fibrous preform are described in document WO 2006/136755. It is also possible to start from fibrous textures such as fabrics
bidimensionnels ou des nappes unidirectionnelles, et d’obtenir la préforme fibreuse par drapage de telles textures fibreuses sur une forme. Ces textures peuvent éventuellement être liées entre elles par exemple par couture ou implantation de fils pour former la préforme fibreuse. Une fois obtenu, le substrat poreux est densifié par une phase de matrice de pyrocarbone obtenue à partir de la phase gazeuse. La matrice enrobe les fils de la préforme fibreuse. Les fils de la préforme sont présents dans la matrice. two-dimensional or unidirectional sheets, and to obtain the fibrous preform by draping such fibrous textures on a form. These textures can optionally be linked together, for example by sewing or implanting threads to form the fibrous preform. Once obtained, the porous substrate is densified by a pyrocarbon matrix phase obtained from the gas phase. The matrix coats the threads of the fibrous preform. The preform wires are present in the matrix.
L’invention peut être mise en œuvre dans une installation de CVI connue adaptée à la densification par du pyrocarbone comprenant une ligne d’introduction The invention can be implemented in a known CVI installation suitable for densification with pyrocarbon comprising an introduction line
supplémentaire permettant d’injecter le dioxyde de carbone gazeux dans l’enceinte réactionnelle. Le dioxyde de carbone peut être introduit dans l’enceinte réactionnelle par des moyens connus en soi communément utilisés en CVI pour introduire le
précurseur à l’état gazeux. Le composé précurseur de pyrocarbone et le dioxyde de carbone peuvent être introduits séparément (par des points d’injection différents) dans l’enceinte réactionnelle. Selon une variante, on peut introduire le composé précurseur de pyrocarbone et le dioxyde de carbone dans l’enceinte réactionnelle directement en mélange (par un même point d’injection). De préférence, le mélange du composé précurseur de pyrocarbone et du dioxyde de carbone est effectué avant la montée en température de l’enceinte réactionnelle permettant de réaliser l’infiltration ou le dépôt chimique en phase vapeur. additional for injecting carbon dioxide gas into the reaction vessel. Carbon dioxide can be introduced into the reaction vessel by means known per se commonly used in CVI to introduce the precursor in gaseous state. The pyrocarbon precursor compound and carbon dioxide can be introduced separately (by different injection points) into the reaction vessel. Alternatively, the pyrocarbon precursor compound and carbon dioxide can be introduced directly into the reaction vessel as a mixture (via the same injection point). Preferably, the mixture of the precursor compound of pyrocarbon and of carbon dioxide is carried out before the temperature rise of the reaction vessel enabling infiltration or chemical vapor deposition to be carried out.
La phase gazeuse comprend (i) au moins un composé précurseur de pyrocarbone à l’état gazeux, (ii) le dioxyde de carbone à l’état gazeux, et éventuellement (iii) un gaz diluant tel qu’un gaz neutre comme l’argon. La phase gazeuse peut être The gas phase comprises (i) at least one precursor compound of pyrocarbon in the gaseous state, (ii) carbon dioxide in the gaseous state, and optionally (iii) a diluent gas such as a neutral gas such as argon. The gas phase can be
essentiellement constituée par ledit au moins un composé précurseur de essentially constituted by said at least one precursor compound of
pyrocarbone, le dioxyde de carbone et le gaz diluant éventuellement présent. pyrocarbon, carbon dioxide and any diluent gas present.
Le mécanisme simplifié de formation du pyrocarbone proposé est indiqué ci-dessous dans le cas où le composé précurseur est un hydrocarbure. Dans les équations chimiques ci-dessous, CxHy désigne l’hydrocarbure précurseur de pyrocarbone et les composés radicalaires sont marqués du symbole *. The simplified mechanism for the formation of the proposed pyrocarbon is indicated below in the case where the precursor compound is a hydrocarbon. In the chemical equations below, C x H y denotes the pyrocarbon precursor hydrocarbon and the radical compounds are marked with the symbol *.
CXHy + C02 -> CO + OH* + CxHy-l* C X Hy + C0 2 -> CO + OH * + CxHy- l *
OH* + CxHy-l* -> H20 + CxHy-2 OH * + CxH yl * -> H 2 0 + CxH y-2
H20 + CO -> C02 + H2. H 2 0 + CO -> C0 2 + H 2 .
Comme indiqué dans les équations chimiques ci-dessus, le dioxyde de carbone réagit initialement avec l’hydrocarbure CxHy dans la phase gazeuse afin d’obtenir du monoxyde de carbone et des intermédiaires réactionnels radicalaires OH* et CxHy.i*. Ces intermédiaires réactionnels OH* et CxHy-i* réagissent ensuite ensemble pour former du CxHy.2 qui présente une double liaison C=C et à partir duquel le As indicated in the chemical equations above, carbon dioxide initially reacts with the hydrocarbon C x H y in the gas phase in order to obtain carbon monoxide and radical reaction intermediates OH * and CxH y .i *. These OH * and C x H y -i * reaction intermediates then react together to form CxH y.2 which has a C = C double bond and from which the
pyrocarbone est obtenu. Le monoxyde de carbone réagit, quant à lui, avec de la vapeur d’eau présente dans la phase gazeuse pour former le dihydrogène pyrocarbon is obtained. Carbon monoxide reacts with water vapor present in the gas phase to form dihydrogen
permettant de limiter la formation de HAP. to limit the formation of PAHs.
Lorsque le composé précurseur est un hydrocarbure, ce dernier peut comporter au moins deux atomes de carbone. Le nombre d’atomes de carbone de l’hydrocarbure peut être compris entre 2 et 5, et par exemple être égal à 3. L’hydrocarbure peut par exemple être du propane. En variante, le composé précurseur de pyrocarbone peut
être un alcool ou un polyalcool. L’alcool ou le polyalcool peut être en C2 à C6. On peut par exemple utiliser l’éthanol en tant que précurseur de pyrocarbone. When the precursor compound is a hydrocarbon, the latter may contain at least two carbon atoms. The number of carbon atoms in the hydrocarbon can be between 2 and 5, and for example be equal to 3. The hydrocarbon can for example be propane. Alternatively, the pyrocarbon precursor compound can be an alcohol or polyalcohol. The alcohol or polyalcohol can be C 2 to C 6 . For example, ethanol can be used as a pyrocarbon precursor.
Durant la formation du pyrocarbone, la température dans l’enceinte réactionnelle peut être comprise entre 980°C et 1050°C, par exemple entre 1000°C et 1020°C, et la pression dans l’enceinte réactionnelle peut être comprise entre 1 kPa et 2 kPa, par exemple entre 1 ,3 kPa et 1 ,7 kPa. During the formation of the pyrocarbon, the temperature in the reaction chamber can be between 980 ° C and 1050 ° C, for example between 1000 ° C and 1020 ° C, and the pressure in the reaction chamber can be between 1 kPa and 2 kPa, for example between 1.3 kPa and 1.7 kPa.
Durant la formation du pyrocarbone, on peut imposer une teneur en dioxyde de carbone dans la phase gazeuse d’au plus 15% en volume, cette teneur étant prise au moment de l’introduction de la phase gazeuse dans l’enceinte réactionnelle. During the formation of the pyrocarbon, it is possible to impose a carbon dioxide content in the gas phase of at most 15% by volume, this content being taken at the time of the introduction of the gas phase into the reaction vessel.
La teneur en dioxyde de carbone dans la phase gazeuse est, sauf mention contraire, égale au rapport suivant [volume de dioxyde de carbone introduit dans l’enceinte réactionnelle] / [volume total de phase gazeuse introduit dans l’enceinte The content of carbon dioxide in the gas phase is, unless otherwise stated, equal to the following ratio [volume of carbon dioxide introduced into the reaction vessel] / [total volume of gaseous phase introduced into the vessel
réactionnelle]. reactionary].
La phase de matrice de pyrocarbone formée à partir de la phase gazeuse peut occuper au moins 50%, voire au moins 75%, de la porosité initiale du substrat poreux. Le substrat poreux peut être intégralement densifié par le pyrocarbone issu de cette phase gazeuse. En variante, seule une partie de la matrice densifiant le substrat poreux peut être formée par le pyrocarbone issu de cette phase gazeuse, le reste de la matrice ayant une composition différente. Le reste de la matrice peut par exemple être en matériau céramique différent du pyrocarbone, en carbure de silicium par exemple. The pyrocarbon matrix phase formed from the gas phase can occupy at least 50%, or even at least 75%, of the initial porosity of the porous substrate. The porous substrate can be fully densified with the pyrocarbon from this gas phase. Alternatively, only part of the matrix densifying the porous substrate can be formed by the pyrocarbon from this gas phase, the rest of the matrix having a different composition. The rest of the matrix may for example be made of a ceramic material other than pyrocarbon, for example silicon carbide.
Quel que soit l’exemple de réalisation considéré (CVI ou CVD), une pluralité de substrats peut être simultanément traitée par la phase gazeuse dans la même enceinte réactionnelle. Whatever the embodiment considered (CVI or CVD), a plurality of substrates can be simultaneously treated with the gas phase in the same reaction vessel.
L’expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.
The expression "included between ... and ..." must be understood as including the limits.