FR2607130A1 - FIBROUS REINFORCED SILICON NITRIDE COMPOSITE CERAMICS - Google Patents

FIBROUS REINFORCED SILICON NITRIDE COMPOSITE CERAMICS Download PDF

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Abstract

DES COMPOSITES TENACES DE FIBRES DE CARBURE DE SILICIUM DERIVANT DES MATRICES DE NITRURE DE SILICIUM SONT OBTENUS EN PREREVETISSANT LES FIBRES AVEC DU CARBURE PYROLYTIQUE ET EN MAITRISANT LA NITRURATION OU TOUT AUTRE PROCEDE DE FORMATION DE LA MATRICE DE NITRURE DE SILICIUM DE SORTE QU'UNE EPAISSEUR D'AU MOINS 5 NANOMETRES DE CARBURE RESTE DANS LE COMPOSITE APRES SA FORMATION. LA RUPTURE DE CES COMPOSITES EST NON CATASTROPHIQUE. DES COMPOSITES AYANT DES PROPRIETES SIMILAIRES PEUVENT ETRE OBTENUS EN PRODUISANT AUTOUR DES FIBRES UN ESPACE SENSIBLEMENT VIDE OU PARTIELLEMENT REMPLI DE BARBES DE NITRURE DE SILICIUM.TOUGH COMPOSITES OF SILICON CARBIDE FIBERS DERIVED FROM SILICON NITRIDE MATRIX ARE OBTAINED BY PREWINNING THE FIBERS WITH PYROLYTIC CARBIDE AND BY CONTROLLING THE NITRURATION OR ANY OTHER PROCESS FOR FORMING THE MATRIX OF NITRIDE FROM NITORIDE. AT LEAST 5 NANOMETERS OF CARBIDE REMAINS IN THE COMPOSITE AFTER ITS FORMATION. THE RUPTURE OF THESE COMPOSITES IS NON CATASTROPHIC. COMPOSITES HAVING SIMILAR PROPERTIES MAY BE OBTAINED BY PRODUCING AROUND THE FIBERS A SENSITIVELY EMPTY OR PARTLY FILLED WITH SILICON NITRIDE BARBS.

Description

- 1 - 2607130- 1 - 2607130

La présente demande concerne une invention sur laquelle le Gouvernement des Etats-Unis d'Amérique possède certains droits conformément au contrat n F33615-83-C-5006/P00004  The present application concerns an invention over which the Government of the United States of America has certain rights in accordance with contract No. F33615-83-C-5006 / P00004

avec la United States Air Force.with the United States Air Force.

La présente invention concerne le domaine des composites  The present invention relates to the field of composites

céramiques constitués d'une phase continue, appelée indif-  ceramics consisting of a continuous phase, called indif-

féremment également "matrice", et d'une phase discontinue, appelée également indifféremment "renforcement". La phase discontinue se présente au moins principalement sous la forme de fibres allongées. De tels matériaux sont généralement présentés dans la technique considérée comme des composites  fiercely also "matrix", and of a discontinuous phase, also called indifferently "reinforcement". The discontinuous phase is at least mainly in the form of elongated fibers. Such materials are generally presented in the art considered as composites

renforcés par des fibres. L'invention concerne plus particu-  reinforced with fibers. The invention relates more particularly to

lièrement des composites ayant une matrice formée principale-  composites with a mainly formed matrix

ment de nitrutre de silicium et de fibres de renforcement  silicon nitrutre and reinforcing fibers

formées principalement de carbure de silicium.  formed mainly of silicon carbide.

Comme la plupart des autres céramiques, le nitrure de  Like most other ceramics, nitride

silicium a en soi une faible ductilité, une faible extensibi-  silicon in itself has low ductility, low extensibility

lité ou autre capacité à récupérer après une tension, de sorte que lorsqu'il est soumis même pendant un cours laps de temps à des tensions mécaniques excédant sa résistance, normalement il se brise. Les utilisations pratiques des objets en céramique les exposent généralement à des charges mécaniques discontinues et non uniformes, de telle sorte que la tension mécanique dans de petites zones de la céramique peut facilement excéder la résistance de la céramique même lorsque la tension globale est bien au-dessous de la valeur qui normalement conduirait à une rupture en essai de laboratoire. De fortes tensions dans de petites zones peuvent causer la formation de fissures, et du fait que les fissures elles-mêmes concentrent les tensions à leurs extrémités, une seule fissure initiale peut se propager tout au travers d'un  lity or other capacity to recover after a tension, so that when it is subjected even during a short period of time to mechanical tensions exceeding its resistance, normally it breaks. The practical uses of ceramic objects generally expose them to discontinuous and non-uniform mechanical loads, so that the mechanical tension in small areas of the ceramic can easily exceed the resistance of the ceramic even when the overall tension is well above below the value that would normally lead to failure in the laboratory test. High stresses in small areas can cause cracks to form, and since the cracks themselves concentrate stresses at their ends, a single initial crack can propagate through one

objet un céramique, ce qui provoque sa rupture catastrophi-  object a ceramic, which causes its catastrophic rupture

que. Bien que le terme "catastrophique" soit souvent utilisé de manière vague pour décrire la rupture de matériaux, dans le cadre de la présente demande, il est utilisé dans un sens plus précis, par référence à la mesure classique de la tension induite dans un matériau par une déformation mécanique. Pour la plupart des matériaux, y compris les céramiques, le rapport tension-déformation est linéaire pour - 2 - 2s601, 30 de faibles déformations. L'augmentation de la déformation peut conduire à une valeur, dite déformation limite, pour laquelle la vitesse d'augmentation de la tension avec la déformation croissante commence à tomber au-dessous de la - valeur qu'elle avait pour de très faibles tensions. Pour des céramiques non renforcées classiques, la déformation limite coïncide avec la rupture de la céramique, de telle sorte que la tension tombe essentiellement à zéro. La rupture d'un corps est définie comme catastrophique dans le cadre de la présente demande si la tension sur le corps à une déformation % supérieure à la déformation limite est inférieure à 20 % de la tension sur le corps à une déformation 2 % inférieure à  than. Although the term "catastrophic" is often used loosely to describe the rupture of materials, in the context of the present application, it is used in a more precise sense, with reference to the conventional measurement of the tension induced in a material by mechanical deformation. For most materials, including ceramics, the stress-strain ratio is linear for - 2 - 2s601, 30 for small strains. The increase in deformation can lead to a value, called limit deformation, for which the rate of increase in tension with increasing deformation begins to fall below the value it had for very low tensions. For conventional unreinforced ceramics, the limit deformation coincides with the rupture of the ceramic, so that the tension falls essentially to zero. The rupture of a body is defined as catastrophic within the framework of the present request if the tension on the body at a deformation% greater than the limit deformation is less than 20% of the stress on the body at a deformation 2% less than

la déformation limite.limit deformation.

Un procédé bien connu ien termes généraux dans la technique considérée pour améliorer la stabilité mécanique de céramiques habituellement fragiles telles que le nitrure de silicium est le renforcement de la céramique avec des  A process well known in general terms in the art considered for improving the mechanical stability of usually fragile ceramics such as silicon nitride is the reinforcement of the ceramic with

inclusions d'autres matériaux, souvent d'une autre céramique.  inclusions of other materials, often of another ceramic.

De petites fibres céramiques ou d'autres particules, du fait qu'elles sont d'une cristallinité presque parfaite, sont  Small ceramic fibers or other particles, due to their almost perfect crystallinity, are

habituellement plus résistantes et quelquefois plus résistan-  usually more resistant and sometimes more resistant

tes aux chocs que des corps compacts, même avec la même composition céramique nominale, qui sont faites par des procédés pratiques classiques tels que le frittage de poudres ou la liaison par réaction. Le renforcement n'est pas nécessairement fait de particules ayant la même composition que la matrice, et souvent il est avantageux d'utiliser une  your impact as compact bodies, even with the same nominal ceramic composition, which are made by conventional practical methods such as sintering powders or reaction bonding. The reinforcement is not necessarily made of particles having the same composition as the matrix, and often it is advantageous to use a

composition différente pour certaines propriétés particuliè-  different composition for certain specific properties

res dans lesquelles elle est supérieure à la matrice.  res in which it is greater than the matrix.

Dans certains cas, mais non dans tous, le renforcement, particulièrement avec de fortes fibres allongées, empêche la  In some cases, but not in all, reinforcement, particularly with strong elongated fibers, prevents the

rupture catastrophique d'un composite, même dans des condi-  catastrophic failure of a composite, even under conditions

tions dont on pourrait s'attendre qu'elles causent la rupture de la matrice du composite seul. Ce perfectionnement dans la résistance à la rupture provenant du renforcement par fibres est attribué fondamentalement à trois mécanismes généralement désignés par les termes suivants dans l'art antérieur: le transfert de charges, le pontage des fissures et la décohésion.  tions which one would expect to cause the rupture of the matrix of the composite alone. This improvement in the breaking strength originating from fiber reinforcement is basically attributed to three mechanisms generally designated by the following terms in the prior art: charge transfer, crack bridging and decohesion.

- 3 - 60 7 130- 3 - 60 7 130

Jusqu'à ces derniers temps, la plupart des nouveaux types de composites renforcés par des fibres ont été faits par des chercheurs tentant d'améliorer la résistance ou la rigidité. Pour de tels objectifs, il est nécessaire de réaliser une forte liaison entre la matrice et les fibres de renforcement, de sorte que l'obtention de cette forte liaison a habituellement été le but. Par exemple, un perfectionnement dans le module de rupture de composites ayant une matrice de nitrure de silicium formée par frittage a ét6 décrit par Yajima et al. dans le brevet US 4 158 687. Les fibres de carbure de silicium continues formées par un procédé spécial décrit dans le brevet US 4 100 233 ont été utilisées comme renforcement, et de la poudre de "polycarbosilane" a été ajoutée à la poudre de nitrure de silicium pour améliorer la liaison entre la matrice et les fibres. Par ces moyens, on a obtenu un corps composite contenant des fibres orientées unidirectionnellement avec un module de rupture (appelé dans ce cas "résistance à la flexion") de 610 MPa. Les composites formés sont présentés comme ayant une bonne résistance à l'oxydation, une bonne résistance à la corrosion, une bonne résistance à la chaleur et une résistance aux températures élevées, mais il n'est rien dit en ce qui concerne la nature  Until recently, most new types of fiber-reinforced composites have been made by researchers trying to improve strength or stiffness. For such purposes, it is necessary to achieve a strong bond between the matrix and the reinforcing fibers, so that obtaining this strong bond has usually been the goal. For example, an improvement in the modulus of rupture of composites having a matrix of silicon nitride formed by sintering has been described by Yajima et al. in US Patent 4,158,687. Continuous silicon carbide fibers formed by a special process described in US Patent 4,100,233 were used as reinforcement, and "polycarbosilane" powder was added to the nitride powder silicon to improve the bond between the matrix and the fibers. By these means, a composite body was obtained containing fibers oriented unidirectionally with a rupture modulus (in this case called "flexural strength") of 610 MPa. The composites formed are presented as having good oxidation resistance, good corrosion resistance, good heat resistance and resistance to high temperatures, but nothing is said about the nature.

de la rupture du composite.composite failure.

Dans les composites renforcés par des fibres ayant une telle liaison serrée, comme illustré dans le brevet Yajima, les fissures résultant de tensions mécaniques concentrées dans la matrice ont tendance à se propager dans les fibres et à les fissurer tout aussi bien. Des chercheurs récents ont découvert qu'une telle propagation nuisible des fissures pouvait être évitée en entourant les fibres de renforcement d'une zone de déviation de fissures. Cette zone de déviation de fissures doit avoir des propriétés mécaniques qui font que la plupart des fissures qui se propagent dans la zone à partir de la matrice sont soit arrêtées, soit suivent un  In fiber-reinforced composites with such a tight bond, as illustrated in the Yajima patent, cracks resulting from concentrated mechanical stresses in the matrix tend to spread through the fibers and crack them just as well. Recent researchers have discovered that such harmful propagation of cracks can be prevented by surrounding the reinforcing fibers with a crack deflection area. This crack deflection area must have mechanical properties such that most of the cracks that propagate in the area from the matrix are either stopped or follow a

chemin qui les maintient à l'écart des fibres de renforce-  path that keeps them away from the reinforcing fibers

ment. Un des premiers chercheurs à reconnaître la valeur  is lying. One of the first researchers to recognize the value

- 4 - 260713- 4 - 260713

possible du revêtement des fibres avec des revêtements faiblement liés apparaît être Warren, comme le montre la demande de brevet européenne n 0 121 797 publiée le 17 octobre 1984. A la page 4, lignes 23-25, cette demande indique: "des liaisons médiocres entre les fibres et la matrice produisent des composites tenaces tandis que de bonnes liaisons fibres/matrice débouchent sur des matériaux  possible coating of the fibers with weakly bonded coatings appears to be Warren, as shown in European patent application No. 0 121 797 published on October 17, 1984. On page 4, lines 23-25, this application indicates: "poor bonds between fibers and matrix produce tough composites while good fiber / matrix bonds lead to materials

fragiles et sensibles aux défectuosités". Dans la forme d'exécu-  fragile and susceptible to defects ". In the form of execution

tion dont on croit qu'elle est la plus pertinente à l'égard de la présente demande, la demande Warren enseigne la formation d'une rangée de fibres de carbone, le revêtement de ces fibres tandis qu'elles sont en rangée avec une couche de carbone pyrolytique, l'usinage du corps poreux résultant à la forme finale voulue, le sur-revêtement avec une couche de carbure de silicium déposée chimiquement en phase vapeur, le chauffage à environ 1482 C "pour obtenir la stabilité  tion which is believed to be most relevant to this application, the Warren application teaches the formation of a row of carbon fibers, the coating of these fibers while they are in a row with a layer of pyrolytic carbon, machining the resulting porous body to the desired final shape, overcoating with a layer of silicon carbide chemically deposited in the vapor phase, heating to about 1482 C "to obtain stability

dimensionnelle entre le carbure de silicium/carbone pyrolyti-  dimensional between silicon carbide / pyrolytic carbon

que et le substrat" et, finalement, le sur-revêtement avec du  that and the substrate "and, ultimately, the over-coating with

nitrure de silicium déposé chimiquement en phase vapeur.  silicon nitride chemically deposited in the vapor phase.

Du fait que les fibres de carbone qui forment le substrat original sont disposées en rangée dans une structure de tissu, de feutre ou similaire avant le revêtement, le revêtement n'est pas uniforme autour des fibres, comme le montre clairement la figure 3 des dessins de la demande de brevet Warren: aux endroits o deux des fibres d'origine se touchent dans la rangée d'origine, le revêtement ne peut  Because the carbon fibers which form the original substrate are arranged in a row in a fabric, felt or similar structure before coating, the coating is not uniform around the fibers, as clearly shown in Figure 3 of the drawings of the Warren patent application: at the places where two of the original fibers touch in the original row, the coating cannot

apparemment pas pénétrer entre elles.  apparently not penetrate them.

La couche de carbone pyrolitique déposée selon les enseignements de Warren était si faiblement liée que les "fibres étaient libres de se déplacer à un degré différent depuis les systèmes de matrice carbone et/ou carbure de silicium". Du fait de son faible coefficient de dilatation thermique, le nitrure de silicium a été longtemps considéré comme l'une des céramiques les plus attractives pour les utilisations dans des conditions demandant une résistance aux  The layer of pyrolitic carbon deposited according to the teachings of Warren was so weakly bonded that the "fibers were free to move to a different degree from the carbon and / or silicon carbide matrix systems". Due to its low coefficient of thermal expansion, silicon nitride has long been considered one of the most attractive ceramics for use in conditions requiring resistance to

tensions thermiques. Cependant, la faible résistance mécani-  thermal stresses. However, the low mechanical strength

26071-3026071-30

que aux chocs du carbure de silicium non renforce dans pratiquement toutes les températures de service utiles et également sa faible résistance au fluage aux températures  that to the impact of non-reinforced silicon carbide in practically all useful operating temperatures and also its low resistance to creep at temperatures

élevées restreignent sérieusement ses applications pratiques.  high seriously limit its practical applications.

L'une des tentatives antérieures pour améliorer les propriétés du nitrure de silicium par l'inclusion dans ce dernier d'autres matériaux, a été décrite par Parr et al.  One of the previous attempts to improve the properties of silicon nitride by including other materials in it has been described by Parr et al.

dans le brevet US n 3 222 438. Ce brevet enseigne l'inclu-  in US Patent 3,222,438. This patent teaches the inclusion

sion de 5 à 10 % de poudre de carbure de silicium dans de la poudre de silicium métal destinée à être transformée en un corps céramique plein par traitement à l'azote gazeux à une  sion of 5 to 10% of silicon carbide powder in metal silicon powder intended to be transformed into a solid ceramic body by treatment with nitrogen gas at a

température suffisamment élevée pour favoriser la transforma-  sufficiently high temperature to favor the transformation

tion du silicium en son nitrure. Ce procédé, appelé liaison par réaction, produit des corps céramiques en nitrure de silicium cohérent ayant une résistance au fluage améliorée de manière sensible par rapport à ceux dépourvus d'addition de poudre de carbure de silicium. Les corps à cuire étaient formés à partir de poudre par pressage à froid dans une matrice, et il était recommandé de faire une addition d'alcool cétylique comme liant et lubrifiant pour la poudre  tion of silicon to its nitride. This process, called reaction bonding, produces ceramic bodies of coherent silicon nitride having a significantly improved creep resistance compared to those without the addition of silicon carbide powder. The baking bodies were formed from powder by cold pressing in a matrix, and it was recommended to add cetyl alcohol as a binder and lubricant for the powder.

avant la compression. La description de ce brevet recommande  before compression. The description of this patent recommends

fortement, et toutes les revendications le spécifient, que la  strongly, and all claims specify, that the

température de liaison réactive excède 1420 C, qui est le point de fusion du silicium, pendant une partie du cycle de liaison. Le module de rupture des corps composites formés n'est pas donné, étant simplement indiqué qu'il pouvait être "favorablement (sic) comparé à ceux déjà publiés par d'autres".  reactive bonding temperature exceeds 1420 C, which is the melting point of silicon, during part of the bonding cycle. The modulus of rupture of the composite bodies formed is not given, being simply indicated that it could be "favorably (sic) compared to those already published by others".

L'utilisation de fibres de carbure de silicium relative-  The use of relative silicon carbide fibers-

ment courtes pour renforcer des céramiques a été décrite par Hough dans le brevet US Iln 3 462 340. L'orientation des fibres par des forces mécaniques ou électrostatiques est présentée comme un avantage selon ce brevet, mais il n'est pas donné d'information quantitative au sujet des propriétés mécaniques des composites résultants. De plus, la matrice des composites décrits par ce brevet est limitée à des matériaux "pyrolytiques". Le terme "pyrolitique" n'est pas clairement  short for reinforcing ceramics has been described by Hough in US Pat. No. 3,462,340. The orientation of the fibers by mechanical or electrostatic forces is presented as an advantage according to this patent, but no information is given. quantitative about the mechanical properties of the resulting composites. In addition, the matrix of composites described by this patent is limited to "pyrolytic" materials. The term "pyrolitic" is not clearly

- 6 - 607 130- 6 - 607,130

défini dans ce brevet mais il est apparemment limité à des matériaux ayant tous leurs éléments constitutifs chimiques dérivant d'une phase gazeuse en contact avec les filaments renforcateurs chauds et un substrat en forme de moule qui détermine la forme interne du corps à conformer. Aucune méthode n'est décrite ou suggérée dans ce brevet pour obtenir du nitrure de silicium comme produit "pyrolytique" selon  defined in this patent but it is apparently limited to materials having all their chemical constituent elements deriving from a gas phase in contact with the hot reinforcing filaments and a mold-shaped substrate which determines the internal shape of the body to be conformed. No method is described or suggested in this patent for obtaining silicon nitride as a "pyrolytic" product according to

cette définition.this definition.

Une utilisation des fibres très courtes de carbure de silicium pour renforcer des composites céramiques ayant une matrice de nitrure de silicium a été décrite par Komeya et al. dans le brevet US n 3 833 389. Selon les enseignements de ce brevet, la matrice a été formée par frittage de poudre de nitrure de silicium plut3t que par nitruration d'une poudre de silicium métal, et la longueur maximale des inclusions de fibres de carbure de silicium était de 40 microns. Il était nécessaire qu'un composant de terre rare soit présent dans la matrice en plus du nitrure de silicium et le plus haut module de rupture (appelé "résistance à la rupture") était de 375 mégapascals (ci-après appelé MPa). Une  A use of very short silicon carbide fibers to reinforce ceramic composites having a silicon nitride matrix has been described by Komeya et al. In US Patent No. 3,833,389. According to the teachings of this patent, the matrix was formed by sintering silicon nitride powder rather than by nitriding a metal silicon powder, and the maximum length of the inclusions of fiber fibers. silicon carbide was 40 microns. It was necessary for a rare earth component to be present in the matrix in addition to the silicon nitride and the highest modulus of rupture (called "breaking strength") was 375 megapascals (hereinafter called MPa). A

publication beaucoup plus récente, P. Shalek et al. "Hot-  much more recent publication, P. Shalek et al. "Hot-

pressed SiC Whisker/Si 3N4 Matrix Composites", 65 American Ceramic Society Bulletin 351 (1986), utilisait également une poudre de nitrure de silicium pressée à chaud avec des "barbes" allongées de carbure de silicium comme renforcement,  pressed SiC Whisker / Si 3N4 Matrix Composites ", 65 American Ceramic Society Bulletin 351 (1986), also used hot-pressed silicon nitride powder with elongated" carbide "beards of silicon carbide as reinforcement,

mais ces barbes n'ont toujours pas plus de 0,5 mm de long.  but these beards are still no more than 0.5 mm long.

L'utilisation de barbes de carbure de silicium dans d'autres matrices encore est enseignée dans le brevet US 4 543 345 du 24 septembre 1985, au nom de Wei (matrice d'alumine, de mullite ou de carbure de bore) et le brevet US n 4 463 058 du 31 juillet 1984 au nom de Hood et al. (principalement des  The use of silicon carbide barbs in other matrices is taught in US Pat. No. 4,543,345 of September 24, 1985, in the name of Wei (matrix of alumina, mullite or boron carbide) and the patent US No. 4,463,058 of July 31, 1984 to Hood et al. (mainly

matrices métalliques).metal dies).

Un composite avec un renforcement de fibres de carbure de silicium continues et orientées est décrit par Brennan et al. dans le brevet US 4 324 843. La matrice décrite par Brennan était une céramique cristalline préparée en chauffant une poudre vitreuse non cristalline de la même composition  A composite with a reinforcement of continuous and oriented silicon carbide fibers is described by Brennan et al. in US Patent 4,324,843. The matrix described by Brennan was a crystalline ceramic prepared by heating a non-crystalline glassy powder of the same composition

7 - 6 6 7. 3 07 - 6 6 7. 3 0

chimique que la matrice voulue dans le composite. Cette  chemical than the desired matrix in the composite. This

description de la matrice parait exclure le nitrure de  description of the matrix appears to exclude nitride from

silicium qui n'est pas décrit dans le brevet comme matériau  silicon which is not described in the patent as a material

possible pour la matrice. En fait, la revendication la plus-  possible for the matrix. In fact, the most-

large de ce brevet demande une matrice en alumino-silicate métallique ou en mélanrige de ceux-ci. Peut-être pour cette raison, le module de rupture le plus haut indiqué dans ce brevet pour l'un quelconque des produits est inférieur à 100 MPa. Une autre variante microstructurelle de composites nitrure de silicium-carbure de silicium est décrite par Hatta et al. dans le brevet US 4 335 217. Selon ce brevet, ni les fibres, ni la poudre de carbure de silicium ou de nitrure de silicium ne sont utilisées comme constituants initiaux du  Broad of this patent requires a matrix of metallic alumino-silicate or of melanrige thereof. Perhaps for this reason, the highest modulus of rupture indicated in this patent for any of the products is less than 100 MPa. Another microstructural variant of silicon nitride-silicon carbide composites is described by Hatta et al. in US Patent 4,335,217. According to this patent, neither the fibers, nor the powder of silicon carbide or silicon nitride are used as initial constituents of

composite. Au lieu de cela, on mélange un polymère pulvéru-  composite. Instead, a powdered polymer is mixed

lent contenant à la fois du silicium et du carbone avec de la poudre de silicium métal, on comprime puis on chauffe sous atmosphère d'azote. Le polymère se décompose progressivement à la chaleur pour donner le carbure de silicium, tandis que la poudre de silicium réagit avec l'azote pour former le nitrure de silicium. La composition du composite final est décrite comme "comprenant des cristaux de carbure de bêta-silicium, de nitrure d'alpha-silicium et de nitrure de bêta-silicium... formant des textures inter-tissées de carbure de bêta-silicium parmi lesdits cristaux de nitrure d'alpha-silicium et de nitrure de bêta-silicium sans liaison  slow containing both silicon and carbon with silicon metal powder, it is compressed and then heated under a nitrogen atmosphere. The polymer gradually decomposes on heat to give silicon carbide, while the silicon powder reacts with nitrogen to form silicon nitride. The composition of the final composite is described as "comprising crystals of beta-silicon carbide, alpha-silicon nitride and beta-silicon nitride ... forming interwoven textures of beta-silicon carbide among said crystals of alpha-silicon nitride and beta-silicon nitride without bond

chimique pour réaliser des micro-espaces... pour l'absorp-  chemical to create micro-spaces ... for absorption

tion des tensions thermiques". Le plus haut module de rupture  tion of thermal tensions ". The highest modulus of rupture

rapporté pour ces composites était de 265 MPa.  reported for these composites was 265 MPa.

Dans ce brevet Hatta, il est fait aussi référence à des "systèmes composites SiC-Si3N4 classiques... fabriqués par cuisson des mélanges de poudre de silicium avec... des fibres de SiC dans une atmosphère d'azote gaz à une température supérieure à 1220 C". Il n'est pas donné d'autres détails, cependant, quant à la manière de préparer ces  In this Hatta patent, reference is also made to "conventional SiC-Si3N4 composite systems ... produced by baking mixtures of silicon powder with ... SiC fibers in a nitrogen gas atmosphere at a higher temperature at 1220 C ". No further details are given, however, as to how to prepare these

composites censés être classiques.  composites supposed to be classic.

La plupart de la littérature autre que de brevets, dans -s - 2607130 la domaine des composites de nitrure de silicium et de carbure de silicium qui, en termes généraux, couvrent les mêmes informations que les brevets indiqués ci-dessus, a été résumée par Fischbach et al. dans leur rapport final au Department of Energy sous les références Grants ET-78-G-01-3320 et DE-FG-01-78-ET-13389. Ces chercheurs ont trouvé que les types de fibres dont il est dit qu'elles ont été utilisées avec grand succès par Yajima dans le brevet US 4 158 657 n'étaient pas très satisfaisants en ce qui concerne leur liaison du fait de la tendance de l'intérieur de ces fibres à se séparer de la couche extérieure des fibres  Most of the non-patent literature in the field of silicon nitride and silicon carbide composites which, in general terms, covers the same information as the patents indicated above, has been summarized by Fischbach et al. in their final report to the Department of Energy under the references Grants ET-78-G-01-3320 and DE-FG-01-78-ET-13389. These researchers found that the types of fibers which are said to have been used with great success by Yajima in US Patent 4,158,657 were not very satisfactory with regard to their binding due to the tendency of the of these fibers to separate from the outer layer of fibers

pendant la nitruration.during nitriding.

Des revêtements métalliques pour fibres de renforcement céramique SOlnt décrites dans le brevet US 3 869 335 du 4 mars 1975 au nom de Siefert. On pense que ces revêtements sont efficaces du fait que la ductilité des métaux permet l'absorption de l'énergie de propagation des fissures par déformation du métal. Les composites ayant des fibres à revêtement métallique sont satisfaisantes pour des usages à des températures relativement basses, mais à des températures élevées, les revêtements métalliques peuvent fondre et donc affaiblir sérieusement le composite. Les matrices enseignées  Metallic coatings for ceramic reinforcing fibers described in US Pat. No. 3,869,335 of March 4, 1975 in the name of Siefert. These coatings are believed to be effective because the ductility of the metals allows absorption of the crack propagation energy by deformation of the metal. Composites with metallic coated fibers are satisfactory for use at relatively low temperatures, but at elevated temperatures the metallic coatings can melt and therefore seriously weaken the composite. The matrices taught

par Siefert étaient de verre, avec des possibilités d'utili-  by Siefert were of glass, with possibilities of use-

sation à des températures plus faibles que les céramiques.  sation at lower temperatures than ceramics.

Ainsi, pour les céramiques, la limitation de température,  So, for ceramics, temperature limitation,

apportée par les revêtements métalliques sur les renforce-  brought by metallic coatings on reinforcements

ments, est un inconvénient sérieux.  is a serious drawback.

La demande de brevet US n 700 246 déposée le 11 février 1985 par Rice enseigne l'utilisation de nitrure de bore comme revêtement pour fibres céramiques aux fins de produire une zone de déviation des fissures lorsque les fibres revêtues sont incorporées dans les composites. Il est spécifiquement question de carbure de silicium, d'alumine, de fibres de graphite et de silice, de carbure de silicium, de cordiérite, de mullite et d'oxyde de zirconium. Les résultats ont été très variables. La tenacité des composites de fibres de carbure de silicium dans des matrices de silice a été  US Patent Application No. 700,246 filed February 11, 1985 by Rice teaches the use of boron nitride as a coating for ceramic fibers for the purpose of producing a crack deflection area when the coated fibers are incorporated into the composites. We are specifically talking about silicon carbide, alumina, graphite and silica fibers, silicon carbide, cordierite, mullite and zirconium oxide. The results have been very variable. The tenacity of silicon carbide fiber composites in silica matrices has been

-.9 --.9 -

- 2607130- 2607130

considérablement accrue par un revêtement d'environ 0,1 micron de nitrure de bore, mais le même type de fibres revêtues employées dans de l'oxyde de zirconium ou de la cordiérite produit peu d'amélioration dans la tenacité du composite comparé avec des composites de fibres non revêtues. Une raison de l'efficacité du nitrure de bore a été  considerably increased by a coating of about 0.1 micron of boron nitride, but the same type of coated fibers used in zirconium oxide or cordierite produces little improvement in the toughness of the composite compared with composites uncoated fibers. One reason for the effectiveness of boron nitride has been

suggérée, et on trouve des informations pertinentes supplé-  suggested, and there is additional relevant information

mentaires dans la demande de brevet européenne n 0 172 082 déposée par la Société Européenne de Propulsion, publiée le 19 février 1986. Cette demande enseigne que le nitrure de bore appliqué sur des fibres par des réactions en phase gazeuse entre des gaz contenant du bore et de l'azote, ainsi que les revêtements de carbone produits par certains types de pyrolyse, est déposé sur les fibres sous forme lamellaire avec des liaisons relativement faibles entre les couches ou strates. Ainsi, une fissure qui pénètre dans le revêtement verra normalement sa direction de propagation changer si nécessaire, de telle sorte que la- fissure se propagera le long d'une interface entre les couches du revêtement. Ces interfaces sont parallèles à la surface de la fibre de telle sorte que l'on empêche habituellement la fissure de pénétrer dans la fibre. Les fibres de carbone et de carbure de silicium dans les matrices de carbure de silicium sont spécifiquement décrites dans cette demande et il est suggéré d'autres matrices, tel que l'alumine formée par décomposition  in European patent application No. 0 172 082 filed by the European Propulsion Company, published on February 19, 1986. This application teaches that boron nitride applied to fibers by gas phase reactions between gases containing boron and nitrogen, as well as the carbon coatings produced by certain types of pyrolysis, is deposited on the fibers in lamellar form with relatively weak bonds between the layers or strata. Thus, a crack which penetrates into the coating will normally see its direction of propagation change if necessary, so that the crack will propagate along an interface between the layers of the coating. These interfaces are parallel to the fiber surface so that the crack is usually prevented from entering the fiber. The carbon and silicon carbide fibers in the silicon carbide matrices are specifically described in this application and other matrices are suggested, such as alumina formed by decomposition.

du butylate d'aluminium.aluminum butylate.

Les avantages de la zone de déviation de fissures autour des fibres de renforcement dans une matrice différente sont  The advantages of the crack deflection area around the reinforcing fibers in a different matrix are

illustrés par John J. Brennan dans "Interfacial Characteriza-  illustrated by John J. Brennan in "Interfacial Characteriza-

tion of Glass and Glass-ceramic Matrix/NICALON SiC Fiber Composites", dans un rapport présenté à la conférence sur les Tailoring Multiphase and Composite Ceramics, tenue à la Pennsylvania State University, 17-19 juillet 1985. Cette publication enseigne que certaines conditions de traitement conduisent à des composites dans lesquels une couche riche en carbone se forme autour des fibres de renforcement SiC, et la couche riche en carbone agit comme une zone de déviation de  tion of Glass and Glass-ceramic Matrix / NICALON SiC Fiber Composites ", in a report presented at the conference on Tailoring Multiphase and Composite Ceramics, held at Pennsylvania State University, July 17-19, 1985. This publication teaches that certain conditions of treatment lead to composites in which a carbon-rich layer is formed around the SiC reinforcing fibers, and the carbon-rich layer acts as a deflection zone of

- 10 - 2607130- 10 - 2607130

fissures. De même, les avantages des revêtements eni nitrure de bore sur les fibres de renforcement sont décrits par B. Bender et ai. dans un article intitulé "Effect on Fiber  cracks. Likewise, the advantages of boron nitride coatings on the reinforcing fibers are described by B. Bender et al. in an article titled "Effect on Fiber

Coatings and Composite Processing on Properties of Zirconia-  Coatings and Composite Processing on Properties of Zirconia-

Based Matrix SiC Fiber Composites", 65 American Ceramic Society Bulletin 363 (1986). Comme on peut s'y attendre d'après les titres de ces rapports, ni l'un ni l'autre  Based Matrix SiC Fiber Composites ", 65 American Ceramic Society Bulletin 363 (1986). As would be expected from the titles of these reports, neither

n'enseigne d'utiliser le nitrure de silicium comme matrice.  teaches to use silicon nitride as a matrix.

J.W. Lucek et al. dans un article intitulé "Stability of Continuous SiC(0) Reinforcing Elements in Reaction Bonded Silicon Nitride Process Environments", Metal Matrix, Carbon and Ceramic Matrix Composites, NASA Conference Publication n0 2406, pages 27-38 (1985>, décrivent des matrices de nitrure de silicium renforcées avec des fibres de carbure de silicium ayant un diamètre d'environ 10-25 microns. Ces fibres SiC dérivaient de matériaux de départ formés de polymères d'organosilicium. Avec ces fibres de carbure de silicium, on n'a pas obtenu des composites fortement résistants et non fragiles. Lucek et al. ont rapporté, sur la base d'informations fournies par d'autres, que certaines des fibres qu'ils avaient utilisées avaient été pré-revêtues de nitrure de bore. Le fait que les fibres aient effectivement  J.W. Lucek et al. in an article entitled "Stability of Continuous SiC (0) Reinforcing Elements in Reaction Bonded Silicon Nitride Process Environments", Metal Matrix, Carbon and Ceramic Matrix Composites, NASA Conference Publication No. 2406, pages 27-38 (1985>, describe matrices of silicon nitride reinforced with silicon carbide fibers having a diameter of about 10-25 microns. These SiC fibers were derived from starting materials formed from organosilicon polymers. With these silicon carbide fibers, we did not obtained highly resistant and non-brittle composites. Lucek et al reported, based on information provided by others, that some of the fibers they had used had been pre-coated with boron nitride. the fibers actually have

été revêtues a été mis en doute depuis le rapport original.  been coated has been questioned since the original report.

Lucek et al., du fait des restrictions de sécurité gouverne-  Lucek et al., Due to government security restrictions

mentales qui leur avaient été imposées en contrepartie de la fourniture des fibres censées être revêtues, n'ont pas tenté de caractériser les composites qu'ils avaient préparés à un degré suffisant pour déterminer si le nitrure de bore, ou tout autre matériau, était effectivement présent autour des fibres de carbure de silicium dérivées des polymères (DP) qu'ils avaient utilisés, après que les composites aient été  imposed on them in return for supplying the fibers intended to be coated, did not attempt to characterize the composites they had prepared to a sufficient degree to determine whether boron nitride, or any other material, was actually present around the silicon carbide fibers derived from the polymers (DP) they had used, after the composites were

faits à partir des fibres censées être revêtues.  made from fibers intended to be coated.

On sait que les fibres SiC DP sont sujettes à une certaine recristallisation, avec un retrait en volume concomitant, et à une volatilisation partielle, probablement précédée par une réaction chimique qui donne des produits volatils, lors du chauffage dans la gamme de température - l - 2607130 nécessaire à la formation du nitrure de silicium lié par réaction (NSLR). Par opposition, les fibres de carbure de silicium soumises à un dépôt chimique en phase vapeur (DCV), également étudiées par Lucek et al., sont beaucoup moins sujettes à des modifications nuisibles pendant la nitrura- tion. Lucek et al. ont déterminé que la résistance à la traction de leurs fibres SiC DP censées être revêtues par du nitrure de bore s'est sensiblement moins dégradée après exposition des fibres à la température et à l'atmosphère de nitruration que la résistance à la traction de fibres similaires non revêtues. Cependant, ils ont en outre déterminé, par des tests de flexion des composites faits avec différentes fibres SiC, que (1) la résistance des composites NSLR renforcés avec les deux types de fibres SiC DP était sensiblement inférieure à celle des composites renforcés avec des fibres SiC DCV, (2) la résistance de tels composites faits avec les fibres DP censées être revêtues était même encore inférieure à celle de composites similaires ayant des fibres DP non revêtues et (3) la rupture sous traction des  It is known that the SiC DP fibers are subject to a certain recrystallization, with concomitant shrinkage in volume, and to partial volatilization, probably preceded by a chemical reaction which gives volatile products, when heated in the temperature range - l - 2607130 necessary for the formation of reaction-linked silicon nitride (NSLR). In contrast, silicon carbide fibers subjected to chemical vapor deposition (DCV), also studied by Lucek et al., Are much less prone to harmful changes during nitriding. Lucek et al. determined that the tensile strength of their SiC DP fibers intended to be coated with boron nitride deteriorated significantly less after exposure of the fibers to the nitriding temperature and atmosphere than the tensile strength of similar fibers not coated. However, they further determined, by flexural testing of composites made with different SiC fibers, that (1) the strength of NSLR composites reinforced with both types of SiC DP fibers was significantly lower than that of fiber reinforced composites SiC DCV, (2) the strength of such composites made with DP fibers intended to be coated was even even lower than that of similar composites having uncoated DP fibers and (3) the tensile failure of

composites avec les deux types de fibres DP était essentiel-  composites with both types of DP fibers was essential-

lement catastrophique. On peut présumer qu'une phase non identifiée du procédé de fabrication des fibres dans les composites détruit et/ou modifie les propriétés de tout revêtement porté par ces fibres, de sorte que lorsqu'il est lié dans la matrice NSLR, le revêtement n'agit plus  slightly catastrophic. It can be assumed that an unidentified phase of the process for manufacturing fibers in composites destroys and / or modifies the properties of any coating carried by these fibers, so that when it is bonded in the NSLR matrix, the coating does not acts more

efficacement pour dévier les fissures.  effectively to deflect cracks.

A l'heure actuelle, tanrit les fibres de carbure de silicium DCV que DP sont très coûteuses mais on pense que s'il se développait une demande significative, les fibres DP pourraient être faites à un coit de beaucoup inférieur à celui des fibres DCV. Il y a également des avantages fondamentaux au plus petit diamètre des fibres DP: les fibres les plus petites sont plus flexibles et plus souples, en particulier pour le renforcement de formes complexes qui demandent de la résistance dans plus d'une direction et qui ont des sections minces. Il est difficile en pratique  At the present time, DCV silicon carbide fibers are very expensive, but it is believed that if significant demand develops, DP fibers could be made at a cost much lower than that of DCV fibers. There are also fundamental advantages to the smaller diameter of the DP fibers: the smaller fibers are more flexible and flexible, in particular for the reinforcement of complex shapes which require resistance in more than one direction and which have thin sections. It is difficult in practice

- 12 - 260 7 130- 12 - 260 7 130

d'arranger une épaisseur unique de fibres dans un plan en une  to arrange a single thickness of fibers in a plane in one

rangée qui donnera un renforcement sensiblement isotropique.  row which will give a substantially isotropic reinforcement.

Il est donc plus courant d'utiliser des fibres à 1 ' intérieur d'une couche unique en rangées sensiblement parallèles et de superposer des couches de telles fibres avec différentes  It is therefore more common to use fibers within a single layer in substantially parallel rows and to superimpose layers of such fibers with different

orientations pour obtenir des propriétés mécaniques sensible-  directions for obtaining sensitive mechanical properties-

ment isotropiques. Naturellement, si l'on désire avoir un objet dont l'épaisseur est un peu supérieure à celle d'une couche de fibres DCV, un tel arrangement est impossible avec de telles fibres, mais il pourrait être obtenu avec des fibres DP dont le diamètre peut être inférieur au dixième de celui des fibres DCV. Les fibres DCV plus petites et plus souples peuvent également être plus facilement disposées avec des courbures aigies dans]le composite voulu. D'un autre côté, la stabilité thermique fondamentalement supérieure des fibres de type DCV rend leur utilisation plus sure dans les  isotropic. Naturally, if one wishes to have an object whose thickness is a little greater than that of a layer of DCV fibers, such an arrangement is impossible with such fibers, but it could be obtained with DP fibers whose diameter may be less than a tenth that of DCV fibers. The smaller, softer DCV fibers can also be more easily arranged with sharp bends in the desired composite. On the other hand, the fundamentally higher thermal stability of DCV type fibers makes their use safer in

composites destinés à être utilisés à de hautes températures.  composites intended for use at high temperatures.

Pour ces raisons, il est avantageux d'apporter des composites NSLR forts et tenaces ayant des renforcements en fibres DP ou formés d'autres fibres SiC de petit diamètre, ainsi que des renforcements à l'aide de fibres plus grosses, et les composites des deux types peuvent être faits selon la  For these reasons, it is advantageous to provide strong and stubborn NSLR composites having reinforcements made of DP fibers or formed of other small diameter SiC fibers, as well as reinforcements using larger fibers, and the composites of two types can be made depending on the

présente invention.present invention.

Une généralisation *qui apparait clairement de l'art antérieur rappelé cidessus est que les propriétés des composites de nitrure de silicium et de carbure de silicium, comme celles des composites en général, sont très sensibles aux détails de la micro-structure du composite. (Une conclusion similaire est donnée dans le document Fischbach précédemment cité). Les détails micro-structuraux sont à leur tour sensibles aux caractéristiques chimiques et physiques des matières de départ et au procédé utilisé pour transformer  A generalization * which appears clearly from the prior art recalled above is that the properties of composites of silicon nitride and silicon carbide, like those of composites in general, are very sensitive to the details of the microstructure of the composite. (A similar conclusion is given in the previously cited Fischbach document). The micro-structural details are in turn sensitive to the chemical and physical characteristics of the starting materials and to the process used to transform

lesdites matières de départ en un corps composite cohérent.  said starting materials in a coherent composite body.

Jusqu'à présent, on pouvait peu prévoir la tenacité mécanique  Until now, mechanical tenacity could hardly have been predicted

des micro-structures composites nouvelles et différentes.  new and different composite micro-structures.

Les fibres de carbure de silicium ayant au moins 1 mm de long peuvent être utilisées plus avantageusement que les - 13 - t'2607130 fibres courtes pour renforcer les composites ayant une matrice de nitrure de silicium, en particulier une matrice formée par liaison par réaction. Les termes "fibres de carbure de silicium" ou "fibres SiC" ainsi que les variations grammaticales de ces termes, doivent être compris, dans le cadre de la présente demande, comme incluant tout matériau en forme fibreuse ayant au moins 55 % de ses atomes constitutifs formés de silicium et de carbone. Cela inclut expressement le type DP de fibres déjà décrit ci-dessus, qui sont connues pour être amorphes dans certaines conditions et pour contenir des quantités substantielles d'atomes d'oxygène et d'azote, et les fibres ayant un noyau en un quelconque autre matériau tel que le carbone. Les modules des produits composites renforcés par des fibres de carbure de silicium sont particulièrement élevés si des régions substantielles du composite produit contiennent de longues fibres qui sont sensiblement rectilignes et mutuellement parallèles, avec une orientation transversale à la ou aux direction(s) des plus grandes déformations exercées sur le composite en cours  Silicon carbide fibers having at least 1 mm in length can be used more advantageously than short fibers for reinforcing composites having a matrix of silicon nitride, in particular a matrix formed by reaction bonding. The terms "silicon carbide fibers" or "SiC fibers" as well as the grammatical variations of these terms, must be understood, within the framework of the present application, as including any material in fibrous form having at least 55% of its atoms constituents formed of silicon and carbon. This expressly includes the DP type of fibers already described above, which are known to be amorphous under certain conditions and to contain substantial amounts of oxygen and nitrogen atoms, and fibers having a nucleus in any other material such as carbon. The moduli of composite products reinforced with silicon carbide fibers are particularly high if substantial regions of the composite produced contain long fibers which are substantially rectilinear and mutually parallel, with an orientation transverse to the direction (s) of the largest deformations exerted on the current composite

d'usage.of use.

Au minimum, la résistance et le nombre de fibres individuelles dans la matrice doit être suffisamment grand pour que les fibres soientcollectivement capables de supporter la charge sur le composite après la rupture de la matrice. Ainsi, si nécessaire, un transfert total de charge depuis la matrice vers les fibres peut se produire sans rupture mécanique due à une surcharge en traction. En termes mathématiques, si 1c est la charge maximale que le composite C peut subir sans rupture de la matrice, Vf est la proportion de fibre dans la zone d'une coupe du composite transversale à l'application de la force, et t est la résistance à la f  At a minimum, the strength and the number of individual fibers in the matrix must be large enough for the fibers to be collectively capable of carrying the load on the composite after the matrix has broken. Thus, if necessary, a total load transfer from the matrix to the fibers can occur without mechanical failure due to a tensile overload. In mathematical terms, if 1c is the maximum load that the composite C can undergo without breaking the matrix, Vf is the proportion of fiber in the cross section of the composite transverse to the application of the force, and t is the resistance to f

- 14 - 2607130- 14 - 2607130

traction par unité de surface des fibres, dans ce cas le rapport lc/Vf doit être inférieur ou égal à tf. A des fins de sécurité, il est préférable que le rapport lc/vf soit sensiblement inférieur à tf. Comme il ressort de la relation donnée ci-dessus, si la résistance totale du composite est augmentée et que l'on utilise des fibres ayant la même résistance à la traction, il peut être nécessaire d'augmenter la proportion de fibres pour satisfaire à ce critère. Par exemple, si le composite total a une rupture de la matrice en traction à 552 MPa et que la proportion de fibres n'est que de 30 %, il est nécessaire d'avoir une résistance à la traction de fibres d'au moins 1,84 GPa. Si la proportion de fibres est élevée à 60 %, des fibres ayant une résistance à la traction de 0,94 GPa conviendraient. La proportion de fibres doit normalement être comprise entre 20 et 80 % en  traction per unit area of the fibers, in this case the ratio lc / Vf must be less than or equal to tf. For security purposes, it is preferable that the ratio lc / vf is significantly less than tf. As can be seen from the relationship given above, if the total strength of the composite is increased and fibers having the same tensile strength are used, it may be necessary to increase the proportion of fibers to meet this requirement. criterion. For example, if the total composite has a tensile matrix rupture at 552 MPa and the fiber proportion is only 30%, it is necessary to have a fiber tensile strength of at least 1 , 84 GPa. If the proportion of fibers is raised to 60%, fibers having a tensile strength of 0.94 GPa would be suitable. The proportion of fibers should normally be between 20 and 80% in

volume dans les composites.volume in composites.

La résistance des composites selon l'invention à une rupture catastrophique peut être particulièrement accrue en prévoyant, dans le composite final, des zones de déviation des fissures entourant pratiquement toutes les fibres de renforcement. Une zone de déviation de fissures est une  The resistance of the composites according to the invention to catastrophic failure can be particularly increased by providing, in the final composite, zones for deflection of the cracks surrounding practically all the reinforcing fibers. A crack deflection area is a

région ayant des propriétés mécaniques sensiblement différerin-  region with significantly different mechanical properties

tes tant de celles de la matrice que de celles des fibres de renforcement. En général, la déviation des fissures se produit le plus efficacement dans les matériaux ayant des nouvelles surfaces potentielles qui peuvent être formées avec de moindres énergies que celles nécessaires pour former d'autres nouvelles surfaces possibles par cassure du matériau de la zone de déviation. Les surfaces dont la formation nécessite une telle plus faible énergie peuvent résulter de l'anisotropie d'énergie superficielle au sein des cristaux, des frontières de grains dans les matériaux polycristallins,  both of the matrix and of the reinforcing fibers. In general, crack deflection occurs most effectively in materials with new potential surfaces which can be formed with less energy than that necessary to form other possible new surfaces by breaking the material of the deflection zone. The surfaces whose formation requires such a lower energy can result from the anisotropy of surface energy within the crystals, from the grain boundaries in polycrystalline materials,

ou d'autres phénomènes similaires.  or other similar phenomena.

La zone de déviation de fissures diffère souvent de  The crack deflection area often differs from

composition chimique tant à l'égard des fibres de renforce-  chemical composition both with respect to the reinforcing fibers-

ment que de la matrice, mais une différence de morphologie pourrait également être suffisante. Une caractéristique que  ment than the matrix, but a difference in morphology could also be sufficient. A characteristic that

- 2607130- 2607130

- -15 -- -15 -

l'on préfère tout particulièrement pour une zone de déviation de fissures est la présence d'au moins une surface de  particularly preferred for a crack deflection zone is the presence of at least one surface of

glissement préférée s'étendant selon une direction approxima-  preferred slip extending in an approximate direction

tivement parallèle aux surfaces des fibres de renforcement.  parallel to the surfaces of the reinforcing fibers.

La surface de glissement préférée peut être, et elle est souvent, à l'interface ou au voisinage de l'interface de la zone de déviation de fissures et soit des fibres, soit de la matrice, par suite de phénomènes tels que des modifications de composition à l'interface, des différences de coefficient  The preferred sliding surface can be, and often is, at the interface or in the vicinity of the interface of the area of deflection of cracks and either of the fibers or of the matrix, as a result of phenomena such as modifications of interface composition, coefficient differences

de dilatation thermique ou des différences morphologiques.  thermal expansion or morphological differences.

Une telle surface de glissement interfaciale est considérée comme faisant partie de la zone de déviation de fissures dans  Such an interfacial sliding surface is considered to be part of the crack deflection zone in

le cadre de la présente demande.as part of this application.

Des exemples de matériaux adaptés à former des zones de  Examples of materials suitable for forming zones of

déviation comprennent le carbone qui a été déposé chimique-  deviation include the carbon that has been deposited chemical-

ment en phase vapeur (également appelé carbone pyrolytique), le nitrure de bore et les polytypes 2H(d), 27R, 16 H, 21R, 12H et 32H du système aluminium-azote-silicium-oxygène. Le  ment in the vapor phase (also called pyrolytic carbon), boron nitride and the 2H (d), 27R, 16H, 21R, 12H and 32H polytypes of the aluminum-nitrogen-silicon-oxygen system. The

carbone pyrolytique est particulièrement préféré.  Pyrolytic carbon is particularly preferred.

Dans la demande de brevet des Etats-Unis n 893 747 copendante, il est décrit en détail des composites ayant des fibres de renforcement dont le diamètre est supérieur à 100 microns. La présente demande se focalise sur les composites  In the co-copending United States patent application no. 893,747, there are described in detail composites having reinforcing fibers whose diameter is greater than 100 microns. This application focuses on composites

ayant des renforcements fibreux de plus petits diamètres.  having fibrous reinforcements of smaller diameters.

Dans les dessins: La figure 1 montre le programme en durée et en température de la nitruration courte selon la présente invention; La figure 2 illustre la relation tension-déformation pour certains composites de fibres de carbure de silicium, non revêtus ou avec différents revêtements, dans une matrice NSLR; La figure 3 montre la relation tension-déformation pour un composite fait selon l'invention, avec une rupture non catastrophique; La figure 4 montre la relation tension-déformation pour un autre composite selon l'invention et la compare avec celle  In the drawings: FIG. 1 shows the program in duration and in temperature of the short nitriding according to the present invention; FIG. 2 illustrates the tension-strain relationship for certain composites of silicon carbide fibers, uncoated or with different coatings, in an NSLR matrix; FIG. 3 shows the tension-strain relationship for a composite made according to the invention, with a non-catastrophic failure; FIG. 4 shows the tension-strain relationship for another composite according to the invention and compares it with that

6 - 1260 -7306 - 1260 -730

d'un composite fait à l'aide des mêmes composants initiaux mais avec différentes conditions de nitruration qui donnent un résultat différent; Les figures 5 et 6 sont des micro-photographies d'une coupe transversale prise au travers des composites du type dont les courbes d'affaiblissement sont données à la figure 4. Fibres de renforcement Deux types efficaces de fibres de carbure de silicium DP pour faire les composites selon l'invention sont disponibles commercialement sous la marque fibres Nicalon auprès de Nippon Carbon Ltd., Tokyo, Japon. Ces fibres, décrites par le fabricant comme dérivant de précurseurs de polycarbosilane, ont un diamètre compris entre 8 et 20 microns et sont disponibles sous deux qualités: standard et céramique. Cette dernière, qui a une masse volumique apparente plus élevée et moins d'oxygène comme impureté, est généralement préférée par rapport à la qualité standard pour la fabrication de composites selon la présente invention. Un autre type efficace de fibre est celui qui est fourni par Dow Corning (pas encore commercialement) sous la désignation MPDZ, lot n 33050-22-1. Il est indiqué que ces fibres dérivent du  a composite made using the same initial components but with different nitriding conditions which give a different result; Figures 5 and 6 are micro-photographs of a cross-section taken through composites of the type whose weakening curves are given in Figure 4. Reinforcement fibers Two effective types of DP silicon carbide fibers for making the composites according to the invention are commercially available under the brand name Nicalon fibers from Nippon Carbon Ltd., Tokyo, Japan. These fibers, described by the manufacturer as being derived from polycarbosilane precursors, have a diameter between 8 and 20 microns and are available in two qualities: standard and ceramic. The latter, which has a higher bulk density and less oxygen as an impurity, is generally preferred over the standard quality for the manufacture of composites according to the present invention. Another effective type of fiber is that supplied by Dow Corning (not yet commercially) under the designation MPDZ, lot no. 33050-22-1. These fibers are said to be derived from

méthylpoly(disilylazane). Les fibres MPDZ donnent des compo-  methylpoly (disilylazane). MPDZ fibers provide

sites ayant une plus grande tenacité lorsqu'ils sont utilisés selon l'invention que ne le font les fibres Nicalon. D'autres fibres, qui n'ont pas été spécifiquement testées, pourraient  sites with greater tenacity when used according to the invention than do Nicalon fibers. Other fibers, which have not been specifically tested, could

être aussi efficaces.be as effective.

Zones de déviation de fissureCrack deviation zones

Les zones de déviation de fissure peuvent être avanta-  Crack deviation zones can be favored

geusement créées par au moins deux procédés différents: (1) le revêtement de fibres de renforcement avec un matériau convenable pour servir de zone de déviation de fissure puis la conservation et/ou l'amélioration 'des propriétés du revêtement pendant la nitruration, ou (2) la création de la zone de déviation de fissure pendant la nitruration à partir des matériaux de la fibre, de la matrice, et/ou de l'atmosphère de nitruration. L'une et l'autre méthodes sont  carefully created by at least two different processes: (1) coating of reinforcing fibers with a suitable material to serve as a crack deflection zone then preserving and / or improving the properties of the coating during nitriding, or ( 2) creation of the crack deflection zone during nitriding from the fiber materials, the matrix, and / or the nitriding atmosphere. Either method is

17 2 6 0 7 1 3017 2 6 0 7 1 30

- 17 - 2607130- 17 - 2607130

capables de donner de bons résultats; celle que l'on préfère dépend des résultats escomptés et du type de fibres utilisées. Revêtement: un revêtement convenable est constitué par du carbone pyrolytique selon le procédé enseigné par J. V. Marzik, "CVD Fibers", Proceedings of the Metal and Ceramic Matrix Composite Processing Conference, Vol. II, p. 39-65 (Conférence tenue au laboratoire Battelle de Colombus du 13 au 15 novembre 1984). On préfère normalement une épaisseur initiale d'au moins 1 micron mais la caractéristique la plus importante du revêtement est sa capacité à dévier les fissures après le traitement et non pas l'épaisseur initiale  able to give good results; which one you prefer depends on the expected results and the type of fibers used. Coating: a suitable coating consists of pyrolytic carbon according to the method taught by J. V. Marzik, "CVD Fibers", Proceedings of the Metal and Ceramic Matrix Composite Processing Conference, Vol. II, p. 39-65 (Conference held at the Battelle laboratory in Colombus from 13 to 15 November 1984). Normally an initial thickness of at least 1 micron is preferred, but the most important characteristic of the coating is its ability to deflect cracks after treatment and not the initial thickness.

du revêtement.of the coating.

Génération in situ: On a constaté que le diamètre des fibres SiC DP décroît normalement pendant la nitruration. Le mécanisme de la réduction de taille n'est pas clair, mais on peut l'attribuer raisonnablement à une perte de masse superficielle, à une réduction dans le volume des vides des fibres et à des réactions chimiques. La réduction de diamètre peut produire un espace vide ou pratiquement vide autour des fibres après quelques cycles de nitruration, comme cela est illustré dans quelques uns des exemples ci-après. Dans d'autres exemples, l'espace entre les parties denses des fibres de renforcement et la masse de la matrice est rempli avec une quantité variable de matériaux dont on présume qu'ils dérivent de la réaction entre la fibre, la matrice  In situ generation: It has been observed that the diameter of the SiC DP fibers normally decreases during nitriding. The mechanism of the size reduction is not clear, but it can be reasonably attributed to a loss of surface mass, a reduction in the void volume of the fibers and to chemical reactions. The reduction in diameter can produce an empty or almost empty space around the fibers after a few nitriding cycles, as illustrated in some of the examples below. In other examples, the space between the dense parts of the reinforcing fibers and the mass of the matrix is filled with a variable quantity of materials which are presumed to be derived from the reaction between the fiber, the matrix

et/ou l'atmosphère de nitruration pendant la nitruration.  and / or the nitriding atmosphere during nitriding.

Dans au moins un cas, la zone autour des fibres contenait des  In at least one case, the area around the fibers contained

barbes de nitrure de silicium, bien qu'en quantité insuffi-  silicon nitride beards, although in short supply

sante pour remplir l'espace. Une zone de déviation de fissure efficace peut être constituée soit par un espace mince, soit par une zone remplie d'un matériau poreux, tel que des barbes  health to fill the space. An effective crack deflection area can be either a thin space or an area filled with porous material, such as barbs

à orientation aléatoire.randomly oriented.

Corps vert, élimination du liant et frittage La disposition des fibres dans la forme voulue pour le composite final peut être effectuée par n'importe quel moyen classique dans la technique considérée. Lorsque l'on pense  Green body, elimination of the binder and sintering The arrangement of the fibers in the desired shape for the final composite can be carried out by any means conventional in the technique considered. When we think

- 18 -6713- 18 -6713

que le produit final doit être soumis à des tensions lors de son utilisation fondamentalement selon une direction unique, les fibres doivent être disposées, autant que cela est possible, transversalement à cette direction de -telle sorte que la tension prévue aura à courber les fibres pour déformer le corps que ces fibres renforcent. Pour les applications o les tensions sonit appliquées dans différentes directions, . il peut être avantageux d'utiliser plusieurs couches, les fibres ayant une orientation parallèle dans chaque couche, mais une orientation différente d'une couche à l'autre. Dans de nombreux cas cependant il sera opportun d'utiliser des fibres ayant une longueur aussi petite qu'un millimètre avec une  that the final product must be subjected to tensions during its use basically in a single direction, the fibers must be arranged, as much as possible, transverse to this direction so that the expected tension will have to bend the fibers to deform the body that these fibers strengthen. For applications where the voltages are applied in different directions,. it may be advantageous to use several layers, the fibers having a parallel orientation in each layer, but a different orientation from one layer to another. In many cases, however, it will be appropriate to use fibers as short as one millimeter in length with a

orientation relativement aléatoire.  relatively random orientation.

De nombreuses structures de produits finals peuvent être efficacement assemblées à partir de "rubans" minces et plats contenant des fibres orientées. Pour faire de tels rubans, on fait supporter un nombre suffisant de fibres ou d'étoupes de fibres pour couvrir la largeur voulue par tout moyen mécanique approprié, en une monocouche, avec les fibres sensiblement rectilignes et parallèles entre elles. Cette rangée de fibres est supportée de quelque manière appropriée pour qu'elle puisse être revêtue d'une bouillie de poudre de silicium et d'au moins un liant polymère dans un solvant convenable. La poudre de silicium que l'on préfère est de qualité technique, avec une pureté nominale de 99 %, et une taille moyenne de particules d'environ 3 microns. (Un matériau convenable a été obtenu auprès de Elkem Metals Co., Marietta, Ohio). Bien que de nombreuses matériaux polymères naturels et synthétiques, tels que le poly(acétate de vinyle), des gommes végétales, etc., puissent également être utilisés comme  Many final product structures can be efficiently assembled from thin, flat "ribbons" containing oriented fibers. To make such ribbons, a sufficient number of fibers or fiber tows are made to support the desired width by any suitable mechanical means, in a monolayer, with the fibers substantially rectilinear and parallel to each other. This row of fibers is supported in any suitable manner so that it can be coated with a slurry of silicon powder and at least one polymeric binder in a suitable solvent. The preferred silicon powder is of technical quality, with a nominal purity of 99%, and an average particle size of about 3 microns. (Suitable material has been obtained from Elkem Metals Co., Marietta, Ohio). Although many natural and synthetic polymeric materials, such as polyvinyl acetate, vegetable gums, etc., can also be used as

liants polymères, celui que l'on préfère est un poly(vinyl-  polymeric binders, the preferred one is poly (vinyl-

butyral) plastifié, commercialisé sous la marque Butvar 891  butyral) plasticized, sold under the brand Butvar 891

par Monsanto Chemical Co., Springfield, Massachusetts.  by Monsanto Chemical Co., Springfield, Massachusetts.

On a mélangé ensemble environ 26 parties en poids de silicium, 8,6 parties en poids de polymère (y compris le plastifiant), 2 parties en poids d'acétone, et 63,4 parties  About 26 parts by weight of silicon, 8.6 parts by weight of polymer (including the plasticizer), 2 parts by weight of acetone, and 63.4 parts were mixed together.

219 -30219 -30

en poids d'un solvant convenable tel que l'alcool isopropyli-  by weight of a suitable solvent such as isopropyl alcohol

que. Le mélange a été appliqué en revêtement par n'importe  than. The mixture was applied as a coating by any

quel moyen, telle qu'une application manuelle, une pulvérisa-  what means, such as manual application, spraying

tion, un étalage au pinceau, une enduction en rideau, etc. sur la rangée préparée de fibres de carbure de silicium sur une profondeur suffisante pour recouvrir les fibres après séchage. La combinaison de fibres et de bouillie est séchée à environ 20 C pendant environ 2 heures à l'atmosphère ambiante, donnant un ruban cohérent souple depuis lequel le  tion, a brush display, a curtain coating, etc. on the prepared row of silicon carbide fibers to a depth sufficient to cover the fibers after drying. The combination of fibers and slurry is dried at about 20 ° C for about 2 hours in the ambient atmosphere, giving a coherent flexible ribbon from which the

solvant a été sensiblement éliminé.  solvent has been substantially removed.

Les rubans ainsi obtenus peuvent être étalés par des  The ribbons thus obtained can be spread by

moyens classiques pour prendre toute forme finale voulue.  conventional means to take any desired final shape.

Pour faire des échantillons de composite à des fins d'essais, des longueurs convenables de rubans ainsi préparés ont été coupées, mises en pile les unes sur les autres, tout en conservant une direction commune d'orientation aux fibres dans les morceaux de ruban coupés, et ils ont été presses mécaniquement selon une direction perpendiculaire au plan des segments de ruban dans la pile, de préférence sous une pression d'au moins 0,4, mais n'excédant pas 0,7, MPa et à une température d'environ 100 C. Dans un exemple classique, on a ainsi préparé des blocs comprimés de 50 mm de largeur,  To make composite samples for testing purposes, suitable lengths of tape thus prepared were cut, stacked on top of each other, while maintaining a common direction of orientation to the fibers in the pieces of cut tape. , and they have been mechanically pressed in a direction perpendicular to the plane of the ribbon segments in the pile, preferably under a pressure of at least 0.4, but not exceeding 0.7, MPa and at a temperature of about 100 C. In a classic example, compressed blocks 50 mm wide were thus prepared,

mm de long et de 6-8 mm d'épaisseur.  mm long and 6-8 mm thick.

Les blocs comprimés, ou autres corps de n'importe quelle forme, sont ensuite traités pour en éliminer le liant polymère qu'ils contiennent. De préférence, cela est effectué en chauffant les corps dans une atmosphère de gaz inerte avec une vitesse d'élévation de température d'environ 1150 C par heure pour obtenir une température finale d'environ 1150 C, le maintien à cette température pendant environ 15 minutes, puis le refroidissement par convexion naturelle à une vitesse estimée comprise entre 100 et 200 C par heure. Pendant le processus de chauffage, le débit d'écoulement du gaz inerte doit être maintenu à un volume suffisant pour entraîner tout produit de décomposition gazeux significatif formé et les corps doivent être maintenus sous pression. Par ce procédé, la teneur originelle en liant polymère est pratiquement  The compressed blocks, or other bodies of any shape, are then treated to remove the polymeric binder which they contain. Preferably this is done by heating the bodies in an inert gas atmosphere with a rate of temperature rise of approximately 1150 C per hour to obtain a final temperature of approximately 1150 C, maintaining at this temperature for approximately 15 minutes, then cooling by natural convection at an estimated speed of between 100 and 200 C per hour. During the heating process, the flow rate of the inert gas must be kept at a volume sufficient to cause any significant gaseous decomposition product formed and the bodies must be kept under pressure. By this process, the original content of polymeric binder is practically

- 20 -260713- 20 -260713

intégralement éliminée des corps, mais du fait du frittage des particules de poudre de silicium, les corps restent cohérents. Nitruration Les corps débarrassés du liant sont transformés en leur forme céramique finale par chauffage des corps dans une atmosphère d'azote gaz ayant une pureté chimique d'au moins 99,998 %. De préférence, la nitruration est poursuivie aussi longtemps qu'il est nécessaire pour transformer pratiquement tout le silicium élémentaire contenu dans le corps en nitrure de silicium. Du fait que le silicium a un point de fusion beaucoup plus bas que le nitrure de silicium, la présence de silicium élémentaire résiduelle peut limiter l'utilisation à haute température des composites finals. On préfère une complète absence de silicium, telle que révélée par une analyse par diffraction des rayons X, analyse qui pourrait détecter une quantité aussi petite que 0,1 pour cent atomique. Dans le procédé de formation du nitrure de silicium lié par réaction (NSLR) sans renforcement, lequel procédé a été établi depuis longtemps, il est devenu courant d'utiliser un cycle de nitruration prolongé pour augmenter au maximum-la quantité de forme alpha-cristalline du nitrure de silicium dans le produit final. On pensait que les cristaux de la forme alpha donnait un produit plus résistant que ceux de la forme bêta qui prédominent dans les produits préparés sous une pression de gaz azote plus élevée et avec des temps  completely removed from the bodies, but due to the sintering of the silicon powder particles, the bodies remain coherent. Nitriding The bodies freed from the binder are transformed into their final ceramic form by heating the bodies in an atmosphere of nitrogen gas having a chemical purity of at least 99.998%. Preferably, the nitriding is continued as long as it is necessary to transform practically all the elementary silicon contained in the body into silicon nitride. Because silicon has a much lower melting point than silicon nitride, the presence of residual elemental silicon can limit the use of final composites at high temperatures. A complete absence of silicon is preferred, as revealed by an X-ray diffraction analysis, which analysis could detect as little as 0.1 atomic percent. In the process of forming reaction-bonded silicon nitride (NSLR) without reinforcement, which has been established for a long time, it has become common to use an extended nitriding cycle to maximize the amount of alpha-crystalline form silicon nitride in the final product. It was believed that crystals of the alpha form produced a more resistant product than those of the beta form which predominate in products prepared under higher nitrogen gas pressure and with time.

raccourcis de manière correspondante. Des cycles de traite-  corresponding shortcuts. Milking cycles

ment de 100 heures avec une température maximale de 1410 C  100 hours with a maximum temperature of 1410 C

sont courants pour faire des corps monolithiques NSLR.  are common for making NSLR monolithic bodies.

De tels longs cycles de nitruration, tels qu'utilisés pour les NSLR monolithiques, peuvent quelquefois être efficaces pour fabriquer des composites selon l'invention, mais ils sont rarement préférés, -en admettant qu'ils le soient parfois. Au lieu de cela, on préfère généralement des cycles beaucoup plus courts pouvant n'atteindre que 8 heures à une température maximale de 1350 C. Si l'on désire créer  Such long nitriding cycles, as used for monolithic NSLRs, can sometimes be effective in making composites according to the invention, but they are rarely preferred, assuming that they are sometimes. Instead, we generally prefer much shorter cycles that can reach only 8 hours at a maximum temperature of 1350 C. If we want to create

- 21 - 26713- 21 - 26713

une zone de déviation de fissure contenant des barbes, on peut préférer un cycle de longueur intermédiaire, telle que 48 heures. Des modes spécifiques de mise en oeuvre de  a crack deflection zone containing barbs, an intermediate length cycle, such as 48 hours, may be preferred. Specific modes of implementation of

l'invention sont donnés dans les exemples ci-après.  the invention are given in the examples below.

La nitruration de la préparation des composites selon l'invention est normalement faite dans un four à vide à parois froides, en maîtrisant soit l'écoulement, soit la pression. Pour une nitruration à écoulement maîtrisé, qui est le procédé que l'on préfère pour la génération in situ de zone de déviation de fissure, les échantillons de composites débarrassés de liant sont tout d'abord chauffés sous vide à une température d'environ 11000C. On admet ensuite l'azote gazeux dans la chambre du four, jusqu'à ce que la pression  The nitriding of the preparation of the composites according to the invention is normally carried out in a vacuum oven with cold walls, controlling either the flow or the pressure. For controlled flow nitriding, which is the preferred method for in situ generation of crack deflection zone, the binder-free composite samples are first heated under vacuum to a temperature of about 11000C . Then nitrogen gas is admitted into the furnace chamber until the pressure

totale du four ait atteint une valeur initiale voulue.  total oven has reached a desired initial value.

L'écoulement de gaz est ensuite interrompu et la température est élevée à la vitesse d'environ 100 C par heure. Tandis que la température s'élève, la pression dans le four s'élève tout d'abord, puis retombe au fur et à mesure que l'azote est transformé en nitrure de silicium non volatil. La chute de pression est contrôlée par un détecteur et lorsque la pression a chuté à une valeur d'excitation prédéterminée, une valve à solénoide commandée par le détecteur, permet l'introduction d'azote gazeux supplémentaire dans le four à une vitesse d'écoulement constante pendant le reste de la nitruration. On préfère un cycle de nitruration avec maîtrise de la pression pour l'utilisation avec des fibres revêtues de carbone. Selon ce procédé, la pression de l'azote gazeux est maîtrisée tout au long de la nitruration à une valeur fixe prédéterminée. On pourrait utiliser des pressions d'azote gazeux initiales comprises entre 0,55 et 200 atmosphères, et des durées comprises entre 6 et 48 heures, avec des températures finales comprises entre 1325 et 1400 C pour de tels cycles de nitruration dans le cadre de la mise en oeuvre de l'invention. Les seules conditions nécessaires sont le maintien d'une résistance à la traction suffisante dans les  The gas flow is then interrupted and the temperature is raised at the rate of about 100 C per hour. As the temperature rises, the pressure in the furnace rises first, then drops as the nitrogen is transformed into non-volatile silicon nitride. The pressure drop is controlled by a detector and when the pressure has dropped to a predetermined excitation value, a solenoid valve controlled by the detector allows the introduction of additional nitrogen gas into the furnace at a flow rate constant during the rest of the nitriding. A nitriding cycle with pressure control is preferred for use with carbon-coated fibers. According to this process, the pressure of the nitrogen gas is controlled throughout the nitriding to a predetermined fixed value. One could use initial nitrogen gas pressures between 0.55 and 200 atmospheres, and durations between 6 and 48 hours, with final temperatures between 1325 and 1400 C for such nitriding cycles as part of the implementation of the invention. The only necessary conditions are the maintenance of sufficient tensile strength in the

- 22 -6013- 22 -6013

fibres pour satisfaire au critère de résistance déjà donné plus haut et que les propriétés de l'interface entre les fibres et la matrice, y compris toutes zones de déviation de fissure existantes, soient adéquates pour éviter une rupture catastrophique des composites produits après la nitruration. Un cycle de nitruration à pression maîtrisée que l'on préfère tout spécialement pour les composites utilisant des fibres de Nicalon revêtues est un cycle dans lequel la pression d'azote gazeux initiale est d'au moins 1 atmosphère, la durée n'excède pas 15 heures entre le premier chauffage au-dessus de la température ambiante et le début du refroidissement, et une température maximale n'excédant pas 1375 C, dont pas plus  fibers to meet the strength criterion already given above and that the properties of the interface between the fibers and the matrix, including any existing crack deflection zones, are adequate to avoid catastrophic failure of the composites produced after nitriding. A nitriding cycle at controlled pressure which is especially preferred for composites using coated Nicalon fibers is a cycle in which the initial nitrogen gas pressure is at least 1 atmosphere, the duration does not exceed 15 hours between the first heating above room temperature and the start of cooling, and a maximum temperature not exceeding 1375 C, of which no more

de 10 heures au-dessus de 1200 C.10 hours above 1200 C.

Après la terminaison du traitement de nitruration, les corps céramiques composites sont de préférence refroidis à une vitesse n'excédant pas 200 C par heure. Le résultat final est un corps céramique résistant aux chocs thermiques et mécaniques et convenant pour un service de longue durée à des températures allant jusqu'à environ 1200 C, au moins en atmosphère non oxydante. Ces composites contiennent 20 à 50 % en volume de filaments de carbure de silicium, et l'on pense que la densité du nitrure de silicium composant la matrice  After the termination of the nitriding treatment, the composite ceramic bodies are preferably cooled at a speed not exceeding 200 ° C. per hour. The end result is a ceramic body resistant to thermal and mechanical shock and suitable for long-term service at temperatures up to around 1200 C, at least in a non-oxidizing atmosphere. These composites contain 20 to 50% by volume of silicon carbide filaments, and it is believed that the density of the silicon nitride composing the matrix

des composites est comprise entre environ 1,8 et 2,0 g/cm3.  composites is between about 1.8 and 2.0 g / cm3.

Le mécanisme de la rupture initiale d'élasticité des  The mechanism of the initial elasticity rupture of

composites réalisés selon l'invention n'est pas catastrophi-  composites made according to the invention is not catastrophi-

que. Avec tous les composites NSLR renforcés par SiC de l'art antérieur, connus de la Demanderesse, la première réduction d'aptitude à supporter les charges sous tension se traduit habituellement par une rupture totale, avec les conséquences nuisibles évidentes pour l'intégrité de toute structure  than. With all of the prior art SiC reinforced NSLR composites known to the Applicant, the first reduction in ability to withstand loads under tension usually results in total failure, with obvious detrimental consequences for the integrity of any structure

composée de tels matériaux.made of such materials.

La portée et la diversité de l'invention pourront être  The scope and diversity of the invention may be

davantage appréciées d'après les exemples.suivants.  more appreciated from the following examples.

Exemples 1-5Examples 1-5

Dans tous ces exemples, on a utilisé des fibres SiC DP de qualité céramique obtenues auprès de Nippon Carbon. Des fibres non revêtues ont été utilisées à l'exemple 1; les  In all of these examples, SiC DP fibers of ceramic quality obtained from Nippon Carbon were used. Uncoated fibers were used in Example 1; the

- 23 -673- 23 -673

revêtements et les numéros des exemples correspondants sont  coatings and the corresponding example numbers are

indiqués dans le tableau I ci-dessous.  indicated in Table I below.

TABLEAU ITABLE I

CARACTERISTIQUES DU' REVETEMENT ET DES FIBRES  CHARACTERISTICS OF THE COATING AND FIBERS

N Caractéristiques du revêtement Composition Epaisseur Morphologie Résistance à Microns la traction des fibres Gigapascals  N Characteristics of the coating Composition Thickness Morphology Resistance to Microns the tensile strength of Gigapascals fibers

_____________________________________________________________  _____________________________________________________________

1 Néant __ 2,3+0,5 2 Alumine, stoechiométrique 0,1-0,15 Pontage 2,3+0,5 des fibres grossière  1 None __ 2.3 + 0.5 2 Alumina, stoichiometric 0.1-0.15 Bridging 2.3 + 0.5 coarse fibers

3 Carbure de sili-3 Silicon carbide

ci.um, riche en carbone 0,5-0,6 Pontage des Fragile fibres  ci.um, rich in carbon 0.5-0.6 Bridging of Fragile fibers

4 Carbone pyro-4 Pyro carbon

lythique 1,00 Continue 2,0+0,6 Nitrure de silicium, stoechiométrique 0,2+ 0,1 Fissurée 2,0 Les épaisseurs de revêtement indiquées dans le tableau I ont été estimées par microscopie à balayage électronique  lythic 1.00 Continuous 2.0 + 0.6 Silicon nitride, stoichiometric 0.2+ 0.1 Cracked 2.0 The coating thicknesses shown in Table I were estimated by scanning electron microscopy

(MBE).(MBE).

Les composites utilisant des fibres de chacun des types indiqués dans le tableau I ont été prépares tout d'abord en  The composites using fibers of each of the types shown in Table I were first prepared by

- 24 -- 24 -

enroulant ou en étalant à la main l'étoupe des fibres unidirectionnellement pour former une rangée de fibres  winding or spreading the tow by hand unidirectionally to form a row of fibers

essentiellement parallèles sur une épaisseur d'une étoupe.  essentially parallel over a thickness of a tow.

Les extrémités des fibres ont été fixées à l'aide d'un ruban pour maintenir l'alignement des fibres pendant le revêtement  The ends of the fibers have been fixed with tape to maintain the alignment of the fibers during coating

et les autres traitements.and other treatments.

* On a préparé un matériau de revêtement sous la forme d'une bouillie ayant la composition suivante, toutes les parties étant exprimées en poids: 2propanol 63,4 parties Poly(vinyl butyral) 4,3 parties Benzylphtalate de butyle 4,3 parties (plastifiant) Acétone 2 parties Silicium métal pulvérulent 26 parties On a utilisé du silicium métal pulvérulent ayant une taille moyenne de particule d'environ 3 microns et une pureté d'environ 99 %, l'impureté principale étant constituée par 0,7 % de fer. La bouillie a été pulvérisée sur une face de la rangée précédemment préparée de fibres de carbone sur une épaisseur minimale d'environ 15 microns. La bouillie avait une viscosité suffisante pour rester sur les fibres. Après l'application de la bouillie sur une première face, le composite revêtu a été séché à environ 20 C pendant environ 2 heures. La rangée de fibres est alors cohérente de sorte qu'il est possible de la retourner sans déranger l'alignement des fibres. La face opposée de la rangée a été revêtue à l'aide de la même bouillie sur une épaisseur minimum d'environ 5 microns puis séchée dans les mêmes conditions que la première face. Le composite séché, revêtu sur ses deux* A coating material was prepared in the form of a slurry having the following composition, all the parts being expressed by weight: 2propanol 63.4 parts Poly (vinyl butyral) 4.3 parts Butyl benzylphthalate 4.3 parts ( plasticizer) Acetone 2 parts Powdered metal silicon 26 parts Powdered metal silicon was used having an average particle size of approximately 3 microns and a purity of approximately 99%, the main impurity being constituted by 0.7% of iron . The slurry was sprayed on one side of the previously prepared row of carbon fibers to a minimum thickness of about 15 microns. The slurry had sufficient viscosity to remain on the fibers. After the application of the spray mixture on a first face, the coated composite was dried at approximately 20 ° C. for approximately 2 hours. The row of fibers is then coherent so that it is possible to turn it over without disturbing the alignment of the fibers. The opposite face of the row was coated using the same slurry to a minimum thickness of around 5 microns and then dried under the same conditions as the first face. The dried composite, coated on both

faces, était souple et, dans la suite, il est appelé "ruban'".  faces, was flexible and, in what follows, it is called "ribbon '".

On a coupé des carrés de 75 mmn de côté à partir de ce ruban. Environ 8 de ces carrés ont été empilés avec la direction des fibres demeurant la même dans tous les carrés et la pile a été ensuite comprimée à 100 C dans une matrice 3f  We cut 75 mmn squares from this ribbon. About 8 of these squares were stacked with the direction of the fibers remaining the same in all the squares and the stack was then compressed at 100 C in a 3f matrix

- 25 -- 25 -

d'acier sous une pression d'environ 21 MPa. Le composite lié par polymère, formé par le premier pressage, a ensuite été transféré dans une matrice de pression à chaud en graphite et compacté davantage à 1150 C sous une pression d'environ 21 MPa et sous une atmosphère de gaz argon en écoulement pendant environ 15 minutes. Ce second pressage à chaud a servi à fritter la matrice de silicium, à la pyrolyser et à chasser les composants formant le liant organique fugace: poly(vinyl butyral) et benzylphtalate de butyle. Le résultat de ce procédé a été un composite cohérent ayant une matrice de  of steel under a pressure of about 21 MPa. The polymer bonded composite formed by the first pressing was then transferred to a hot graphite pressure matrix and further compacted at 1150 C under a pressure of about 21 MPa and under an atmosphere of argon gas flowing for about 15 minutes. This second hot pressing was used to sinter the silicon matrix, to pyrolyze it and to remove the components forming the fugitive organic binder: poly (vinyl butyral) and butyl benzylphthalate. The result of this process was a coherent composite having a matrix of

silicium métal et des fibres de carbure de silicium.  silicon metal and silicon carbide fibers.

Les corps de silicium frittés ont ensuite été nitrurés dans les conditions indiquées à la figure 1 pour former les composites finals. Par suite de ce traitement, la matrice de silicium métallique a été sensiblement totalement transformée en nitrure de silicium, avec une augmentation en poids de 66,5 % et une augmentation en volume de 22 %. L'augmentation de volume est cependant absorbée par les pores de la matrice de silicium formant le composite, de sorte qu'il n'en résulte pas de modification dans ses dimensions externes pendant la  The sintered silicon bodies were then nitrided under the conditions indicated in FIG. 1 to form the final composites. As a result of this treatment, the metallic silicon matrix has been substantially completely transformed into silicon nitride, with an increase in weight of 66.5% and an increase in volume of 22%. The increase in volume is however absorbed by the pores of the silicon matrix forming the composite, so that it does not result in any modification in its external dimensions during the

transformation en nitrure de silicium.  transformation into silicon nitride.

Le composite de nitrure de silicium a été tranché en échantillons pour essai le long de deux jeux de plans perpendiculaires dont chacun était parallèle à la direction des fibres de carbure de silicium incluses. Ces échantillons ont été utilisés pour les essais de résistance, effectués dans une configuration de flexion à trois points avec un écart de 62 mm, une vitesse de déplacement constante de 0,127 mm/minute. Les rapports écart à épaisseur ont été compris  The silicon nitride composite was sliced into test samples along two sets of perpendicular planes, each of which was parallel to the direction of the included silicon carbide fibers. These samples were used for strength tests, performed in a three-point bending configuration with a gap of 62 mm, a constant movement speed of 0.127 mm / minute. The gap-to-thickness ratios have been understood

entre 16:1 et 46:1, en fonction de l'épaisseur de l'échantil-  between 16: 1 and 46: 1, depending on the thickness of the sample

lon. Les surfaces des échantillons tels que nitrurés n'ont pas été modifiées, excepté dans la mesure nécessaire à la  lon. The surfaces of the samples such as nitrided have not been modified, except to the extent necessary for the

découpe des échantillons à la taille voulue pour l'accomplis-  cutting samples to the size desired for the accomplishment

sement de l'essai de résistance. Les échantillons ont été utilisés à la fois pour des évaluations quantitatives de résistance, comme le montre le tableau 2 et pour des  strength test. The samples were used both for quantitative strength assessments, as shown in Table 2 and for

estimations qualitatives du comportement de rupture.  qualitative estimates of failure behavior.

2 6 0i 13 02 6 0i 13 0

- 26 - 6- 26 - 6

Le cycle court de nitruration a produit des composites ayant une rupture non catastrophique avec les fibres revêtues de carbone (exemple 4). Les mêmes fibres revêtues ont produit des composites ayant une rupture catastrophique lorsque l'on utilise des conditions de nitruration d'écoulement contrôlé pendant 48 heures. Tous les. autres types de fibres revêtues et non revêtues, c'est-à-dire les exemples 1 à 3 et 5, ont donné des composites ayant une rupture catastrophique même  The short nitriding cycle produced composites with non-catastrophic failure with the carbon-coated fibers (Example 4). The same coated fibers produced composites with catastrophic failure when using controlled flow nitriding conditions for 48 hours. All. other types of coated and uncoated fibers, i.e. examples 1 to 3 and 5, gave composites with even catastrophic failure

avec des cycles de nitruration courts. L'examen des interfa-  with short nitriding cycles. Examination of the interfaces

ces dans les composites par spectrométrie Auger et la MBE a indiqué la présence d'une couche de carbone d'au moins 60 nanomètres d'épaisseur autour des fibres SiC dans le  these in composites by Auger spectrometry and the MBE indicated the presence of a carbon layer at least 60 nanometers thick around the SiC fibers in the

composite non fragile de l'exemple 4.  non-fragile composite of Example 4.

Les limites de déformation, les déformations maximales supportables et les tensions aux limites de déformation des composites des exemples 1 à 5 (tous avec des conditions de nitruration comme indiqué à la figure 1), excepté en ce qui concerne l'exemple 3 qui a été nitruré pendant 48 heures avec une pression maximale d'azote de 0,7 atmosphère et une température maximale de 1380 C, sont donnés dans le tableau 2 ci-dessous. Les chiffres indiqués dans ce tableau ont été  The deformation limits, the maximum tolerable deformations and the stresses at the deformation limits of the composites of examples 1 to 5 (all with nitriding conditions as indicated in FIG. 1), except for example 3 which was nitrided for 48 hours with a maximum nitrogen pressure of 0.7 atmosphere and a maximum temperature of 1380 C, are given in Table 2 below. The figures in this table have been

déterminés à une vitesse de déplacement de 0,12 mm/minute.  determined at a traveling speed of 0.12 mm / minute.

TABLEAU 2TABLE 2

LIMITES DE TENSION ET DE DEFORMATION POUR LES PRODUITS DES  VOLTAGE AND DEFORMATION LIMITS FOR PRODUCTS FROM

EXEMPLES 1 A 5EXAMPLES 1 TO 5

Exemple Proportion Limite de Limite de Tension ma-  Example Proportion Limit of Voltage Limit ma-

numéro de fibre déformation tension ximale sup-  fiber number deformation maximum x-tension

en volume % MPa portable MPain volume% MPa portable MPa

- - - - -- - - - -

1 0,27 0,187 252 2521 0.27 0.187 252 252

2 0,20 0,191 376 3762 0.20 0.191 376 376

3 0,07 0,110 194 1943 0.07 0.110 194 194

4 0,21 0,214 285 3904 0.21 0.214 285 390

5 0,18 0,260 180 1805 0.18 0.260 180 180

SNLR non renforcé 0,00 0,140 315 315  SNLR unreinforced 0.00 0.140 315 315

- 27 -- 27 -

Les courbes d'affaiblissement des composites produits  The weakening curves of the composites produced

par les exemples 1 à 5 sont représentées aux figures 2 et 3.  by examples 1 to 5 are represented in FIGS. 2 and 3.

La rupture non catastrophique du composite de l'exemple 4 lui permet d'atteindre une tension maximale supportable à 0,396 % de déformation presque égale au double de sa limite de déformation, tandis que, pour tous les autres composites représentés à la figure 2, la limite de tension était égale à  The non-catastrophic failure of the composite of Example 4 allows it to reach a maximum bearable tension at 0.396% deformation almost equal to twice its deformation limit, while, for all the other composites shown in Figure 2, the voltage limit was equal to

la tension maximale supportable.the maximum bearable voltage.

Tous les composites faits selon les exemples 1 à 5 ont montré un degré significatif de transfert de charge depuis la matrice vers les fibres pendant les essais, mais dans chacun d'entre eux, excepté l'exemple 4, la zone de déviation de fissure efficace était apparemment insuffisante autour des fibres pour donner une rupture non catastrophique. Cela signifie que la conservation par les fibres d'une résistance après le traitement, le transfert de charge et les zones de déviation de fissure efficace autour des fibres sont tous des facteurs importants pour obtenir les composites les plus tenaces. Exemple 6 Dans cet exemple, on a utilisé des fibres de Nicalon non revêtues de qualité céramique, comme dans l'exemple 1, mais le cycle de nitruration a été porté à 48 heures. Leproduit composite selon cet exemple offre une tenacité améliorée comparée au produit de l'exemple 1. L'examen microscopique du composite indique la formation d'une zone partiellement remplie d'un matériau distinct à la fois des fibres et de la matrice, autour des fibres dans le composite, tandis qu'une  All the composites made according to examples 1 to 5 showed a significant degree of charge transfer from the matrix to the fibers during the tests, but in each of them, except for example 4, the effective crack deflection zone was apparently insufficient around the fibers to give a non-catastrophic break. This means that post-treatment strength retention by fibers, load transfer, and effective crack deflection areas around the fibers are all important factors in achieving the most stubborn composites. Example 6 In this example, uncoated Nicalon fibers of ceramic quality were used, as in Example 1, but the nitriding cycle was increased to 48 hours. The composite product according to this example offers improved toughness compared to the product of Example 1. Microscopic examination of the composite indicates the formation of an area partially filled with a material distinct from both the fibers and the matrix, around the fibers in the composite, while a

telle zone n'est pas observée dans le produit de l'exemple 1.  such a zone is not observed in the product of Example 1.

La présence de cette zone parait jouer un rôle dans la différence de tenacité. Les propriétés physiques générales de ce composite n'étaient cependant pas aussi bonnes que celles du produit de l'exemple 4. On pense que. cette différence provient de la dégradation de la résistance à la traction des  The presence of this zone seems to play a role in the difference in tenacity. The general physical properties of this composite were not, however, as good as that of the product of Example 4. It is believed that. this difference comes from the degradation of the tensile strength of

fibres pendant le cycle de nitruration relativement long.  fibers during the relatively long nitriding cycle.

Exemple 7Example 7

- 28 -- 28 -

Cet exemple est similaire à l'exemple 6, excepté que l'on a utilisé des fibres Nicalon de qualité standard plutôt que des fibres de qualité céramique. Dans ce cas, la zone autour des fibres après la nitruration renferme des barbes de nitrure de silicium orientées de manière aléatoire qui étaient seulement très médiocrement consolidées, en admettant  This example is similar to Example 6 except that standard quality Nicalon fibers were used rather than ceramic quality fibers. In this case, the area around the fibers after nitriding contains randomly oriented silicon nitride barbs which were only very poorly consolidated, assuming

qu'elles le soient, avec la matrice de nitrure de silicium.  that they are, with the silicon nitride matrix.

Sur le plan qualitatif, les composites de cet exemple se sont révélés comme légèrement plus tenaces que ceux de l'exemple 6 et considérablement plus tenaces que ceux de l'exemple 1 mais ils subissent néanmoins une rupture catastrophique lorsqu'ils  Qualitatively, the composites in this example were found to be slightly more tenacious than those in Example 6 and considerably more tenacious than those in Example 1, but they nevertheless suffered a catastrophic failure when they

sont soumis à une tension.are under stress.

Exemples 8 et 9 Pour ces exemples, on a utilisé des fibres MPDZ non revêtues au lieu des fibres de Nicalon. Pour l'exemple 8, on a utilisé un cycle de nitruration à écoulement maîtrisé de 48 heures et, pour l'exemple 9, un cycle à pression maîtrisée de 8 heures. Le reste du traitement était le même que pour l'exemple 4. Les courbes d'affaiblissement des produits résultants sont données à la figure 4. Le composite résultant du cycle de nitruration le plus long, donne une rupture non catastrophique. OnI pense que la différence avec l'exemple 6 est due à une plus grande résistance des fibres MDPZ à une perte de la résistance à la traction dans les conditions de nitruration. Avec les fibres MDPZ, les cycles de nitruration courts, tel que celui utilisé à l'exemple 4, donnent des composites soumis à rupture catastrophique. On pense que cela est dû au fait que la durée de nitruration plus courte ne se traduit pas par la formation d'un espace autour des fibres dans le composite, comme le fait le cycle plus long. La différence est apparente dans les coupes transversales des  Examples 8 and 9 For these examples, uncoated MPDZ fibers were used instead of Nicalon fibers. For Example 8, a 48 hour controlled flow nitriding cycle was used and, for Example 9, an 8 hour controlled pressure cycle. The rest of the treatment was the same as in Example 4. The weakening curves of the resulting products are given in FIG. 4. The composite resulting from the longest nitriding cycle, gives a non-catastrophic rupture. It is believed that the difference from Example 6 is due to higher strength of the MDPZ fibers to loss of tensile strength under nitriding conditions. With MDPZ fibers, short nitriding cycles, such as that used in Example 4, give composites subject to catastrophic failure. This is believed to be due to the fact that the shorter nitriding time does not result in the formation of a space around the fibers in the composite, as does the longer cycle. The difference is apparent in the cross sections of

composites représentées aux figures 5 et 6.  composites shown in Figures 5 and 6.

Bien que ces exemples concernent des rangées de fibres ou de filaments unidirectionnels, on doit comprendre que  Although these examples relate to rows of unidirectional fibers or filaments, it should be understood that

l'invention n'est pas limitée à une telle forme d'exécution.  the invention is not limited to such an embodiment.

Les composites préparés selon l'invention sont utiles dans toutes les applications actuelles du nitrure de silicium  The composites prepared according to the invention are useful in all current applications of silicon nitride

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y compris, sans y être limité, aux gaines pour thermocouples, aux pieds de baguette pour la coulée en matrice sous pression réduite, aux creusets, aux joints d'étanchéité pour four et bouchons pour fonderies de métaux non ferreux, en particulier l'aluminium; aux tubes de dégazage et plaques de chemisage pour fonderies d'aluminium primaire; aux appareils de montage de précision et dispositifs de fixation pour soudure, brasage et autres traitements thermiques pour la fabrication de composants électroniques et semi-conducteurs, joaillerie et autres objets métalliques ou en verre nécessitant un traitement thermique; aux dispositifs de fixation résistant à l'usure pour dispositifs optiques, aux guidages de buse et support d'électrode pour usinage à électrodécharge, ou aux guidage et gabarit pour usinage électrochimique, buse de soudage et isolateur; aux composants de pompes, vannes et récipients pour le traitement de produits chimiques corrosifs et de mélanges abrasifs, dents artificielles et bridges dentaires; aux carénages structuraux faiblement décelables et aux structures similaires pour aéronefs et autres véhicules qui seront exceptionnellement difficiles à détecter par radar; aux composants de moteurs pouvant fonctionner à des températures plus élevées que les moteurs ayant des  including, but not limited to, sheaths for thermocouples, rod feet for die casting under reduced pressure, crucibles, seals for furnaces, and caps for non-ferrous metal foundries, particularly aluminum ; degassing tubes and liner plates for primary aluminum foundries; precision mounting devices and fixing devices for soldering, soldering and other heat treatments for the manufacture of electronic and semiconductor components, jewelry and other metallic or glass objects requiring heat treatment; wear-resistant fasteners for optical devices, nozzle guides and electrode holder for electrodischarge machining, or guides and jig for electrochemical machining, welding nozzle and insulator; components of pumps, valves and containers for the treatment of corrosive chemicals and abrasive mixtures, artificial teeth and dental bridges; weakly detectable structural fairings and similar structures for aircraft and other vehicles that will be exceptionally difficult to detect by radar; engine components capable of operating at higher temperatures than engines with

chambres de combustion entièrement métalliques.  all-metal combustion chambers.

Les composites ayant du nitrure de silicium lié par réaction sont particulièrement utiles comme céramiques structurelles du fait de leur combinaison d'un faible poids avec une grande rigidité et un faible coefficient de  Composites having reaction bonded silicon nitride are particularly useful as structural ceramics due to their combination of low weight with high rigidity and low coefficient of

dilatation thermique. Cette combinaison de propriétés con-  thermal expansion. This combination of properties

vient particulièrement pour les structures devant être utilisées dans l'espace, o (1) l'absence d'oxygène élimine l'une des limitations majeures des NSLR dans les conditions terrestres, à savoir la sensibilité des NSLR à la dégradation oxydante à de hautes températures, (2) le faible poids est particulièrement intéressant du fait du coût de lancement de poids dans l'espace, et (3) un faible coefficient de dilatation thermique est particulièrement utile pour les structures exposées à la lumière du soleil sur un côté  comes particularly for structures to be used in space, o (1) the absence of oxygen eliminates one of the major limitations of NSLR in terrestrial conditions, namely the sensitivity of NSLR to oxidative degradation at high temperatures, (2) the low weight is particularly advantageous due to the cost of launching weight in space, and (3) a low coefficient of thermal expansion is particularly useful for structures exposed to sunlight on one side

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seulement. Les composites de NSLR sont également utiles dans les applications électriques du fait de leur résistance et de leurs propriétés di-électriques, et comme matériaux de remplacement biologique du fait de leur résistance à la corrosion, de leur absence de toxicité et de leur capacité à  only. NSLR composites are also useful in electrical applications due to their strength and dielectric properties, and as biological replacement materials due to their resistance to corrosion, their lack of toxicity and their ability to

bien se lier à des tissus animaux.bind well to animal tissue.

La résistance et la tenacité supérieures des corps composites selon l'invention les rend utiles dans des applications supplémentaires ne pouvant être remplies avec les corps de nitrure de silicium soumis à des ruptures catastrophiques.  The superior strength and tenacity of the composite bodies according to the invention makes them useful in additional applications which cannot be filled with the bodies of silicon nitride subjected to catastrophic ruptures.

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Claims (7)

REVENDICATIONS 1- Composite céramique comprenant des fibres de renfor-  1- Ceramic composite comprising reinforcing fibers cement en carbure de silicium d'au moins 1 mm de long dans une matrice formée principalement de nitrure de silicium, caractérisé en ce que: (a) les fibres de renforcement ont collectivement une résistance à la traction suffisante pour supporter la charge sur ledit composite à la limite de rupture de la matrice sans rupture en traction des fibres, (b) une zone de déviation des fissures possédant des propriétés mécaniques sensiblement différentes de celles à la fois des fibres de renforcement et de la matrice occupe une partie prédominante de l'espace sur une épaisseur de 5 nanomètres autour des fibres de renforcement, (c) les fibres de renforcement occupent collectivement de 20 à 80 % enl volume du composite, (d) le composite offre une rupture non catastrophique sous tension mécanique; et (e) lesdites fibres de renforcement en carbure de  cement of silicon carbide at least 1 mm long in a matrix formed mainly of silicon nitride, characterized in that: (a) the reinforcing fibers collectively have a sufficient tensile strength to support the load on said composite at the breaking point of the matrix without breaking in traction of the fibers, (b) a crack deflection zone having mechanical properties substantially different from those of both the reinforcing fibers and the matrix occupies a predominant part of the space over a thickness of 5 nanometers around the reinforcing fibers, (c) the reinforcing fibers collectively occupy from 20 to 80% by volume of the composite, (d) the composite offers a non-catastrophic rupture under mechanical stress; and (e) said carbide reinforcing fibers. silicium ayant un diamètre compris entre 8 et 25 microns.  silicon having a diameter between 8 and 25 microns. 2- Composite selon la revendication 1, dans lequel lesdites fibres de renforcement en carbure de silicium dérivent de la décomposition partielle de fibres de polymère  2- The composite of claim 1, wherein said silicon carbide reinforcing fibers are derived from the partial decomposition of polymer fibers d'organosilicium.organosilicon. 3- Composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en outre en ce que la moitié au moins du volume desdites  3- Composite according to claim 1 or 2, further characterized in that at least half of the volume of said zones de déviation de fissure est un espace vide.  crack deflection zones is an empty space. 4- Composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en outre en ce que lesdites zones de déviation de fissure  4- The composite of claim 1 or 2, further characterized in that said crack deflection zones sont formées de barbes de nitrure de silicium.  are formed of silicon nitride barbs. - Composite selon l'une quelconque des revendications 1  - Composite according to any one of claims 1 à 4, caractérisé en outre par une aptitude à supporter une  to 4, further characterized by an ability to withstand a charge maximale d'au moins 350 mégapascals avec une déforma-  maximum load of at least 350 megapascals with a deformation tion de fibres d'au moins 0,3 %.tion of fibers of at least 0.3%. 6- Composite selon l'une quelconque des revendications 1  6- Composite according to any one of claims 1 à 5, dans lequel ladite matrice est formée principalement de -32 -  to 5, in which said matrix is formed mainly from -32 - nitrure de silicium lié par réaction.  reaction-bonded silicon nitride. 7- Procédé de transformation pratiquement totale d'une matrice de silicium frittée en une matrice de nitrure de silicium par liaison par réaction en présence d'azote gazeux, caractérisé en ce que: (a) on fait réagir ladite matrice de silicium sous une pression d'azote gazeux à au moins 0,55 bar pendant une période n'excédant pas 48 heures entre le premier chauffage au-dessus de la température ambiante et la température la plus élevée atteinte pendant le cycle de chauffage; et (b) la température la plus élevée atteinte pendant le  7- Process for practically total transformation of a sintered silicon matrix into a silicon nitride matrix by bonding by reaction in the presence of nitrogen gas, characterized in that: (a) said silicon matrix is reacted under pressure nitrogen gas at least 0.55 bar for a period not exceeding 48 hours between the first heating above room temperature and the highest temperature reached during the heating cycle; and (b) the highest temperature reached during the cycle de chauffage n'excède pas 1400 C.  heating cycle does not exceed 1400 C. 8- Procédé selon la revendication 7, dans lequel: (a) ladite pression d'azote gazeux est d'au moins 0,9 bar; (b) la durée comprise entre le premier chauffage au-dessus de la température ambiante et la température la plus élevée atteinte au cours du cycle de chauffage n'excède pas 15 heures; (c) la température la plus élevée atteinte au cours du cycle de chauffage n'excède pas 1375 C; et (d) la durée totale d'exposition de la matrice pendant le cycle de nitruration aux températures supérieures à 1200 C  8- The method of claim 7, wherein: (a) said nitrogen gas pressure is at least 0.9 bar; (b) the time between the first heating above room temperature and the highest temperature reached during the heating cycle does not exceed 15 hours; (c) the highest temperature reached during the heating cycle does not exceed 1375 C; and (d) the total duration of exposure of the matrix during the nitriding cycle at temperatures above 1200 ° C. n'excède pas 10 heures.does not exceed 10 hours.
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