WO2002100797A1 - Procede de densification et de traitement anticorrosion d'un materiau composite thermostructural - Google Patents

Procede de densification et de traitement anticorrosion d'un materiau composite thermostructural Download PDF

Info

Publication number
WO2002100797A1
WO2002100797A1 PCT/FR2002/002008 FR0202008W WO02100797A1 WO 2002100797 A1 WO2002100797 A1 WO 2002100797A1 FR 0202008 W FR0202008 W FR 0202008W WO 02100797 A1 WO02100797 A1 WO 02100797A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
carbon
sic
densification
case
crusting
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/002008
Other languages
English (en)
Inventor
Didier Glayal
Original Assignee
E.A.D.S Launch Vehicles - S.A -
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by E.A.D.S Launch Vehicles - S.A - filed Critical E.A.D.S Launch Vehicles - S.A -
Publication of WO2002100797A1 publication Critical patent/WO2002100797A1/fr

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C16/045—Coating cavities or hollow spaces, e.g. interior of tubes; Infiltration of porous substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C04B35/571—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained from Si-containing polymer precursors or organosilicon monomers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B35/002—Crucibles or containers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/524—Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5244—Silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/524—Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5248—Carbon, e.g. graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5252—Fibers having a specific pre-form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/614—Gas infiltration of green bodies or pre-forms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/94—Products characterised by their shape

Definitions

  • the present invention relates to a method of densification and anti-corrosion treatment of a thermostructural composite material, more particularly with fibers and / or a carbon and / or SiC matrix, used in particular for the production of crucible holders.
  • a thermostructural composite material more particularly with fibers and / or a carbon and / or SiC matrix
  • the description is focused on a particular but nonlimiting example that are the crucibles used in the silicon industry.
  • the crucibles are made of quartz. This material is compatible with molten silicon and does not pollute the bath. It is indeed essential not to introduce impurities which would be found in the single crystals thus manufactured.
  • quartz brought to temperatures of 1,400 ° C, that is to say to the melting temperature of silicon, does not have sufficient mechanical strength to retain its initial shape.
  • the crucibles are supported by crucible holders made of a material which has a higher mechanical resistance. Carbon / carbon and / or SiC are generally retained which ensure the recovery of forces while the crucible ensures the confinement action of the bath.
  • silica or quartz in contact with silicon, produces an evolution of SiO gas which causes chemical corrosion. This corrosion is all the more important as the material is porous as it is the case for the carbon / carbon and / or SiC composites, because the corrosive gas propagates in the heart of the material and corrodes it.
  • This corrosion is a phenomenon which also occurs in the case of parts made of carbon fibers with a carbon matrix or of SiC fibers with a SiC matrix or with a combination.
  • the advantage would be to be able to have a waterproof material or at least a material with a low porosity so as to limit corrosion so that it is only worn on the surface at most. In the specific case of crucible holders, this would increase the service life by limiting this chemical corrosion and thus reduce costs by using such crucible holders over a greater number of cycles. Indeed, a cycle begins during the rise in temperature of the silicon bath until it melts, continues for the duration of the drawing of the single crystal at melting temperature and, after complete drawing, continues until cooling.
  • Patents of the prior art relate to carbon / carbon parts such as patent JP 1 1 1 71 681 which describes a pulling device comprising a carbon / carbon composite element whose surface receives a surface layer.
  • a pulling device comprising a carbon / carbon composite element whose surface receives a surface layer.
  • the crucible holder has the necessary mechanical properties, but it should be made resistant to corrosion by the gases released.
  • the present invention therefore provides a method of densification and anticorrosion treatment of a material, which makes it possible to mechanically reinforce the material and to fight against chemical corrosion.
  • the mechanical resistance must be sufficient to support the crucible during the working phases but also during the temperature rise and fall phases.
  • thermostructural composite material with improved performance, which extends the lifespan of the elements produced, in particular that of the crucible holders for industrial applications in the silicon industry.
  • the invention also covers the crucible holder obtained by implementing the method of the present invention.
  • the process is now described in detail with reference to the accompanying drawings, more particularly but not limited to using a crucible holder as described in French patent application No. 01 00943, drawings in which the various figures represent:
  • FIG. 1 a side elevation view of a crucible holder used for implementing the method
  • FIG. 2 a view of the arrangement of the crucible holder allowing the implementation of said method
  • FIG. 3 a schematic enlarged view of a section of the wall of the crucible holder, and - Figure 4, a view of a crucible holder on its pedestal with a crucible internally.
  • the manufacture of a crucible holder 10 such as that which is concerned by the preferred embodiment which will follow and represented in FIG. 1, comprises the following steps: - production of a 2.5D carbon fiber fabric with a carbon matrix, following the teaching of French patent N ° 2 610 951 in the name of the applicant.
  • This 2.5D multilayer fabric includes interlayer bonds with undulations and high deformability.
  • this fabric after drying with a phenolic type resin when this mode of impregnation is chosen.
  • this resin is chosen with characteristics of high purity, without this being a necessity depending on the applications.
  • This carbon crucible holder should then be densified by chemical vapor infiltration and thus obtain the carbon / carbon product.
  • the particular conditions developed in the treatment process according to the present invention make it possible to simultaneously carry out crusting to ensure sealing and at least to greatly reduce the permeability of the wall, specifically of the internal wall.
  • this layer must preferably be less than 1 00 ⁇ m.
  • the method according to the invention must lead, as a minimum, to a final average densification of the parts of 1.50. preferably the density sought is 1.60, in the case of carbon / carbon.
  • the densification and anticorrosion treatment process consists of:
  • the crucible holder is in the inverted position to orient its opening facing the flow F of circulation of the densification gas 1 2. This allows good diffusion to the core of the gas molecules which, by cracking, allow the deposition of pyrolytic carbon to the core, the gas molecules having a low reactivity, see FIG. 3.
  • These molecules 18 coat the carbon fibers 20 throughout. thickness e of the crucible holder, and thus give it the desired mechanical characteristics.
  • a second densification allowing the treatment of at least one internal zone of the crucible holder.
  • the densification gas is circulated at a higher speed.
  • the molecules that run along the outside surface of the crucible holder have difficulty depositing on the fibers because the residence time is short while the molecules trapped in the crucible holder stay longer and deposit on its internal face, the residence time is longer. These molecules are highly reactive, they penetrate little in thickness and are preferably deposited on the surface, inside 1 4 of the crucible holder, forming a waterproof crust 22 anticorrosion.
  • the average density obtained for a crucible holder as described above is 1.49 in the case of a simplified homogeneous densification known from the prior art and 1.65 for the same crucible holder having undergone a densification according to the method of the present invention.
  • the coefficient of permeability obtained for a crucible holder as described above is between 1.5 5 0 0 3 Nl / msb and 2.4 1 0 3 Nl / msb in the case of a simplified and known homogeneous densification of the prior art.
  • This permeability coefficient is less than 1.5 ⁇ 10 3 Nl / msb, more particularly 7.5 ⁇ 10 5 Nl / msb for the same crucible holder having undergone densification and anti-corrosion treatment according to the process of the present invention.
  • the ratio of the number of uses of a crucible holder densified by implementing the method according to the present invention is 1 0 in duration of use compared to a crucible holder densified in a homogeneous and simplified manner as in the case prior art methods.
  • the sealing treatment by crusting was carried out in the case described above on at least one zone of the internal surface of the crucible holder. It is then advisable to mask and protect the areas which should not be crusted.
  • the zone 24 which is located at the right of the crucible support zone in the crucible holder, as shown in FIG. 4, is highly stressed and it is a preferential chemical attack zone because the rate fiber is more reduced by construction and that the spacing of the textile mesh is also greater.
  • the corrosion resistance is greatly improved in sensitive areas such as zones 24, which is satisfactory but the treatment can be carried out even more satisfactorily over the entire interior of the crucible holder. To achieve this, it is necessary to provide different parameters for controlling the flow of gas, larger quantities and a longer duration of stay in the densification furnace.
  • the crucible is turned over while retaining the same direction of gas flow, in the case of FIG. 2, the opening is placed upwards.
  • the thickness of the sealing layer forming a barrier is preferably limited to values less than 1 00 ⁇ m.
  • the crucible holder thus obtained by implementing the method and having these technical characteristics is particularly suitable for supporting quartz crucibles intended for the silicon industry.
  • the density to be obtained is 2.40, preferably 2.55, with a crust of thickness less than 1 00 vm.
  • an SiC crust is appropriate.
  • the density to be obtained is 1.65, preferably 1.80.
  • the SiC crust has a thickness of less than 100 ⁇ m.
  • the densification gas which is cracked is in a known manner TCMS, trichloromethylsilane.
  • the woven material as described is a 2.5D material, but it could also be used with 4.5D or any other weaving with a sufficient opening rate to allow penetration of the gases into the heart.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

L'objet de l'invention est un procédé de densification et de traitement anti-corrosion d'un matériau composite thermostructural, comprenant les phases suivantes: une première densification par infiltration chimique en phase vapeur de carbone dans un four de densification avec une cinétique lente de réaction du gaz de diffusion et une faible réactivité en sorte de permettre une pénétration à coeur dans l'ensemble du porte-creuset, une seconde densification en sorte d'obtenir un croûtage sur au moins cette partie du porte-creuset, la densité du porte-creuset obtenu devant être supérieure à 1,50, dans le cas du Carbone/Carbone, supérieure à 1,65 dans le cas du Carbone/SiC et supérieure à 2,40 dans le cas du SiC/SiC, l'épaisseur du croûtage devant être inférieure à 100 νm. L'invention couvre aussi le porte-creuset obtenu.

Description

PROCEDE DE DENSIFICATION ET DE TRAITEMENT ANTICORROSION D'UN MATERIAU COMPOSITE THERMOSTRUCTURAL
La présente invention concerne un procédé de densification et de traitement anti-corrosion d'un matériau composite thermostructural, plus particulièrement avec des fibres et/ou une matrice en carbone et/ou en SiC, utilisé notamment pour la réalisation de porte-creusets. Afin de permettre une bonne compréhension des étapes du procédé selon la présente invention, la description est focalisée sur un exemple particulier mais non limitatif que sont les creusets utilisés dans l'industrie du silicium.
Pour la fabrication de barreaux de silicium notamment par tirage de monocristaux, les creusets sont réalisés en quartz. Ce matériau est compatible avec le silicium en fusion et ne pollue pas le bain. Il est en effet essentiel de ne pas introduire d'impuretés qui se retrouveraient dans les monocristaux ainsi fabriqués.
Par contre, le quartz, porté à des températures de 1 400°C, c'est-à-dire à la température de fusion du silicium, n'a pas une résistance mécanique suffisante pour conserver sa forme initiale.
Aussi, les creusets sont supportés par des porte-creusets fabriqués dans un matériau qui présente une résistance mécanique plus élevée. On retient généralement le carbone/carbone et/ou le SiC qui assurent la reprise des efforts tandis que le creuset assure l'action de confinement du bain.
On sait aussi que la silice ou quartz, au contact du silicium, produit un dégagement de gaz SiO qui provoque une corrosion chimique. Cette corrosion est d'autant plus importante que le matériau est poreux comme c'est le cas pour les composites carbone/carbone et/ou SiC, car le gaz corrosif se propage au cœur du matériau et l'y corrode.
Cette corrosion est un phénomène qui se présente aussi dans le cas de pièces en fibres de carbone avec une matrice de carbone ou en fibres de SiC avec une matrice SiC ou avec une combinaison. L'intérêt serait de pouvoir disposer d'un matériau étanche ou pour le moins d'un matériau avec une faible porosité en sorte de limiter la corrosion pour qu'elle ne se porte qu'à surface tout au plus. Dans le cas spécifique des porte-creusets, cela permettrait d'augmenter la durée de vie en limitant cette corrosion chimique et ainsi de diminuer les coûts par une utilisation de tels porte-creusets sur un plus grand nombre de cycles. En effet, un cycle débute lors de la montée en température du bain de silicium jusqu'à sa fusion, se prolonge pendant la durée du tirage du monocristal à température de fusion et, après tirage complet, se poursuit jusqu'au refroidissement.
Des brevets de l'art antérieur concernent des pièces en carbone/carbone comme le brevet JP 1 1 1 71 681 qui décrit un dispositif de tirage comportant un élément en composite carbone/carbone dont la surface reçoit une couche superficielle. Ainsi la réaction entre le dioxyde de silicium et le carbone à cœur, c'est-à-dire entre le creuset et le porte-creuset, est supprimée.
Dans notre cas, il ne s'agit pas de cette réaction mais de la réaction du gaz SiO, provenant de la décomposition de la silice du creuset qui agit comme un gaz corrosif. Par ailleurs, une densité de 1 ,3 g/cm3 comme indiqué dans cet art antérieur est trop faible pour l'application aux porte-creusets car la résistance mécanique qui en résulte est insuffisante.
Un exemple de procédé de fabrication de porte-creuset en carbone- carbone a été décrit et revendiqué dans la demande de brevet N °01 00943 au nom du même demandeur. Ce porte-creuset doit pouvoir répondre, en terme de résistance mécanique, aux efforts engendrés par les dilatations différentielles entre le creuset et le porte-creuset lors des différentes phases de chaque cycle.
Par contre, dans cet art antérieur, le porte-creuset présente les propriétés mécaniques nécessaires, mais il conviendrait de le rendre résistant à la corrosion par les gaz dégagés.
En effet, dans le cas du porte-creuset réalisé selon l'enseignement de la demande de brevet français N °01 00943, la corrosion se porte plus particulièrement sur la paroi interne du porte-creuset, au droit d'une ceinture d'appui du creuset et de concentration des efforts. Il faut donc porter plus particulièrement la lutte contre la corrosion à cet endroit.
De plus, ainsi qu'indiqué précédemment, de tels creusets sont souvent utilisés dans l'industrie et on parle de durée de vie en nombre de cycles. On compte ainsi le nombre de cycles réalisés avant que le porte-creuset ne casse. On comprend que la corrosion porte préjudice à la durée de vie des porte- creusets donc à la rentabilité finale.
Il a été constaté également que la corrosion se porte aussi sur la zone périphérique des mailles de la préforme textile lorsque le porte-creuset est du type de celui obtenu par le procédé décrit dans la demande de brevet français N °01 00943.
Si le fait densifier est connu en tant que tel, notamment pour assurer la reprise des efforts mécaniques, les conditions d'une telle densification sont précises pour obtenir les résultats recherchés, notamment si l'on souhaite réaliser également une étanchéité pour limiter la corrosion chimique. La présente invention propose donc un procédé de densification et de traitement anticorrosion d'un matériau, qui permet de renforcer mécaniquement le matériau et de lutter contre la corrosion chimique. Dans le cas d'une application aux porte-creusets, la résistance mécanique doit être suffisante pour supporter le creuset lors des phases de travail mais aussi lors des phases de montée et de descente en température.
Le procédé selon l'invention est reproductible et permet d'obtenir un matériau composite thermostructural à performances améliorées, qui prolonge la durée de vie des éléments réalisés, notamment celle des porte-creusets pour les applications industrielles dans l'industrie du silicium.
L'invention couvre aussi le porte-creuset obtenu par la mise en œuvre du procédé de la présente invention. Le procédé est maintenant décrit en détail en regard des dessins annexés, plus particulièrement mais de façon non limitative en utilisant un porte-creuset tel que décrit dans la demande de brevet français N °01 00943, dessins sur lesquels les différentes figures représentent :
- figure 1 , une vue en élévation latérale d'un porte-creuset utilisé pour la mise en œuvre du procédé,
- figure 2, une vue de la disposition du porte-creuset permettant la mise en œuvre dudit procédé,
- figure 3, une vue agrandie schématique d'une section de la paroi du porte-creuset, et - figure 4, une vue d'un porte-creuset sur son piédestal avec un creuset en interne.
La fabrication d'un porte-creuset 10 tel que celui qui est concerné par le mode de réalisation préférentiel qui va suivre et représenté figure 1 , comprend les étapes suivantes : - réalisation d'un tissu en 2,5D en fibres de carbone avec une matrice en carbone, suivant l'enseignement du brevet français N ° 2 610 951 au nom du demandeur. Ce tissu en 2,5D multicouches comprend des liaisons intercouches avec des ondulations et une forte déformabilité.
- imprégnation de ce tissu après séchage avec une résine de type phénolique lorsque ce mode d'imprégnation est choisi. De façon préférentiel, cette résine est choisie avec des caractéristiques de grande pureté, sans que cela soit une nécessité suivant les applications.
- découpage de ces lés de tissu pour obtenir les éléments à assembler pour réaliser le produit final en tenant compte des déformations, -assemblage des éléments par un piquage particulier sur une forme en sorte de respecter au plus près les cotes du produit final,
- polymérisation puis un pré-usinage, si nécessaire, - pyrolyse du porte-creuset ainsi polymérisé et rigidifié, dans un four à atmosphère neutre pour obtenir une stabilisation des fibres et un produit débarrassé des impuretés.
Il convient ensuite de densifier ce porte-creuset en carbone par une infiltration chimique en phase vapeur et obtenir ainsi le produit en carbone/carbone.
Les conditions particulières développées dans le procédé de traitement selon la présente invention, notamment le positionnement, permettent de réaliser simultanément un croûtage pour assurer l'étanchéité et au moins pour diminuer fortement la perméabilité de la paroi, spécifiquement de la paroi interne.
Il convient en effet de réaliser une couche de surface mais elle doit nécessairement rester dans des valeurs données d'épaisseur afin de ne pas se délaminer lors des phases de dilatation différentielle des cycles de production. Dans le cas présent, cette couche doit preferentiellement être inférieure à 1 00 μm.
De la même façon, selon la présente invention, le procédé selon l'invention doit conduire, au minimum, à une densification moyenne finale des pièces de 1 ,50. de préférence la densité recherchée est de 1 ,60, dans le cas du carbone/carbone.
Le procédé de densification et de traitement anticorrosion consiste à réaliser :
- une première densification dans un four de densification avec une cinétique lente de réaction d'un gaz 1 2, l'ensemble du porte-creuset 10 étant soumis à cette action de densification par infiltration en phase vapeur par l'intérieur 1 4 et l'extérieur 1 6 dudit porte-creuset, voir figure 2. Le porte- creuset est en position renversée pour orienter son ouverture face au flux F de circulation du gaz 1 2 de densification. Ceci permet une bonne diffusion à cœur des molécules de gaz qui, par craquage, permettent le dépôt de carbone pyrolytique à cœur, les molécules de gaz ayant une faible réactivité, voir figure 3. Ces molécules 1 8 enrobent les fibres 20 de carbone dans toute l'épaisseur e du porte-creuset, et lui confèrent ainsi les caractéristiques mécaniques recherchées.
- une seconde densification permettant le traitement d'au moins une zone interne du porte-creuset. Dans ce cas, on fait circuler le gaz de densification avec une vitesse plus grande. Les molécules qui longent la surface extérieure du porte-creuset ont des difficultés à venir se déposer sur les fibres car le temps de séjour est court tandis que les molécules piégées dans le porte-creuset séjournent plus longtemps et se déposent sur sa face interne, le temps de séjour est plus long. Ces molécules étant fortement réactives, elles pénètrent peu dans l'épaisseur et se déposent preferentiellement en surface, à l'intérieur 1 4 du porte-creuset, formant une croûte 22 étanche anticorrosion.
Ces deux opérations de densification sont réalisées de façon préférentielle dans un même four et successivement, seulement en modifiant les paramètres de conduite.
Ainsi, pour un porte-creuset de 50 cm environ de diamètre, on obtient les résultats suivants :
DENSITE
La densité moyenne obtenue pour un porte-creuset tel que décrit ci- avant est de 1 ,49 dans le cas d'une densification homogène simplifiée et connue de l'art antérieur et de 1 ,65 pour un même porte-creuset ayant subi une densification selon le procédé de la présente invention.
PERMEABILITE
Le coefficient de perméabilité obtenu pour un porte-creuset tel que décrit ci-avant est compris entre 1 ,5 1 0~3 Nl/m.s.b et 2,4 1 03 Nl/m.s.b dans le cas d'une densification homogène simplifiée et connue de l'art antérieur.
Ce coefficient de perméabilité est inférieur à 1 ,5 103 Nl/m.s.b, plus particulièrement de 7,5 1 0 5 Nl/m.s.b pour un même porte-creuset ayant subi une densification et un traitement anticorrosion selon le procédé de la présente invention.
RAPPORT D' UTILISATION Le rapport du nombre d'utilisations d'un porte-creuset densifié par mise en œuvre du procédé selon la présente invention est de 1 0 en durée d'utilisation par rapport à un porte-creuset densifié de façon homogène et simplifiée comme dans le cas des procédés de l'art antérieur.
Le traitement d'étanchéité par croûtage a été réalisé dans le cas décrit ci-avant sur au moins une zone de la surface interne du porte-creuset. Il convient alors de masquer et protéger les zones qui ne devront pas être croûtées. La zone 24 qui se situe au droit de la zone d'appui du creuset dans le porte-creuset, telle que montrée sur la figure 4, est fortement sollicitée et il s'agit d'une zone d'attaque chimique préférentielle car le taux de fibres y est plus réduit par construction même et que l'écartement de la maille textile y est également le plus grand. Par ce croûtage localisé, on améliore très largement la résistance à la corrosion dans les zones sensibles comme les zones 24, ce qui est satisfaisant mais le traitement peut-être réalisé de façon encore plus satisfaisante sur tout l'intérieur du porte-creuset. Il convient pour le réaliser de prévoir des paramètres différents de conduite du flux de gaz, des quantités plus importantes et une durée plus grande de séjour dans le four de densification.
En variante, il est aussi possible de prévoir un croûtage extérieur. Dans ce cas, on retourne le creuset en conservant le même sens de circulation du gaz, dans le cas de la figure 2, on place l'ouverture vers le haut. On limite l'épaisseur de la couche d'étanchéité formant barrière de préférence à des valeurs inférieures à 1 00 μm.
Le porte-creuset ainsi obtenu par la mise en œuvre du procédé et présentant ces caractéristiques techniques est particulièrement adapté au support de creusets en quartz destinés à l'industrie du silicium.
Ce qui a été décrit pour un élément en carbone/carbone est tout à fait transposable à un produit avec des fibres en SiC et avec une matrice en SiC et un croûtage en SiC. Dans ce cas, la densité à obtenir est de 2,40, de préférence 2,55, avec une croûte d'épaisseur inférieure à 1 00 vm. De même, on pourrait envisager des associations de fibres de carbone combinées avec une matrice en SiC ou des fibres de SiC et une matrice en carbone. Dans ce cas, un croûtage en SiC est approprié. La densité à obtenir est de 1 ,65, de préférence 1 ,80. La croûte en SiC présente une épaisseur inférieure à 100 μm.
Pour le cas du SiC, le gaz de densification qui est craqué, est de façon connue du TCMS, trichlorométhylsilane.
Le matériau tissé tel que décrit est un matériau en 2,5D mais il pourrait aussi être utilisé du 4,5D ou tout autre tissage avec un taux d'ouverture suffisant pour permettre une pénétration à cœur des gaz.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 . Procédé de densification et de traitement anticorrosion d'un matériau composite (10) thermostructural, en matériau tissé, en fibres et matrices choisies parmi le carbone ou le carbure de silicium, par infiltration en phase vapeur à partir d'un flux de gaz susceptible de générer par craquage du carbone ou du SiC, caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes :
- une première densification par infiltration chimique en phase vapeur dans un four de densification avec une cinétique lente de réaction du gaz de diffusion et une faible réactivité en sorte de permettre une pénétration à cœur des molécules de carbone ou de SiC dans l'épaisseur du matériau, de façon à renforcer la résistance mécanique, et
- une seconde densification, par infiltration chimique en phase vapeur dans un four de densification avec une cinétique rapide du gaz de diffusion, en sorte d'obtenir un croûtage sur au moins une partie de la surface du matériau, la densité du matériau obtenu devant être supérieure à 1 ,50, dans le cas du Carbone/Carbone, supérieure à 1 ,65 dans le cas du Carbone/SiC et supérieure à 2,40 dans le cas du SiC/SiC , l'épaisseur du croûtage devant être inférieure à 1 00μm.
2. Procédé de densification et de traitement anti-corrosion selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on poursuit la densification pour atteindre une densité de 1 ,60, dans le cas du Carbone/Carbone, de 1 ,80 dans le cas du Carbone/SiC et de 2,55 dans le cas du SiC/SiC.
3. Procédé de densification et de traitement anti-corrosion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on réalise un croûtage sur l'ensemble de la surface du matériau.
4. Procédé de densification et de traitement anti-corrosion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et seconde densifications sont réalisées dans le même four et successivement.
5. Procédé de densification et de traitement anti-corrosion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le cas d'un porte-creuset (1 0), on positionne le porte-creuset avec l'ouverture face au flux de gaz pour permettre un croûtage de la face interne et l'ouverture dans le sens du gaz pour permettre un croûtage de la face externe.
6. Porte-creuset en carbone/carbone obtenu par mise en œuvre du procédé selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une densité moyenne supérieure à 1 ,50, une partie au moins de sa surface avec un croûtage de carbone pyrolytique d'épaisseur inférieure à 1 00μm et un coefficient de perméabilité inférieur à 1 ,5 10 3 Nl/m.s.b.
7. Porte-creuset en Carbone/Carbone selon la revendication 6, caractérisé en ce que le croûtage de carbone pyrolytique d'épaisseur inférieure à 100 μm présente un coefficient de perméabilité de l'ordre de 7,5 1 0~5 Nl/m.s.b.
8. Porte-creuset en Carbone/SiC obtenu par mise en œuvre du procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il présente une densité moyenne supérieure à 1 ,65 et une partie au moins de sa surface avec un croûtage de SiC d'épaisseur inférieure à 1 00μm .
9. Porte-creuset en SiC/SiC obtenu par mise en œuvre du procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il présente une densité moyenne supérieure à 2,40 et une partie au moins de sa surface avec un croûtage de SiC d'épaisseur inférieure à 1 00μm .
1 0. Porte-creuset en carbone/carbone densifié selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un croûtage sur au moins une partie de sa surface (1 4) intérieure et/ou au moins une partie de sa surface ( 1 6) extérieure.
1 1 . Porte-creuset en carbone/carbone selon l'une des revendications 6 à 1 0, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'une armature fibreuse en 2,5D ou 4,5D.
PCT/FR2002/002008 2001-06-12 2002-06-12 Procede de densification et de traitement anticorrosion d'un materiau composite thermostructural WO2002100797A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0107676A FR2825699A1 (fr) 2001-06-12 2001-06-12 Procede de densification et de traitement anticorrosion d'un materiau composite thermostructural
FR01/07676 2001-06-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2002100797A1 true WO2002100797A1 (fr) 2002-12-19

Family

ID=8864222

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2002/002008 WO2002100797A1 (fr) 2001-06-12 2002-06-12 Procede de densification et de traitement anticorrosion d'un materiau composite thermostructural

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2825699A1 (fr)
WO (1) WO2002100797A1 (fr)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112374893A (zh) * 2020-11-26 2021-02-19 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司 高密度锆系改性细编穿刺陶瓷基复合材料产品的制备方法
CN113272470A (zh) * 2018-10-31 2021-08-17 派特欧赛拉米克斯股份公司 用于渗透和快速气相沉积多孔组件的方法和装配件

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011052016A1 (de) * 2011-07-21 2013-01-24 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Bausatz für einen Schmelztiegel, Schmelztiegel und Verfahren zur Herstellung eines Schmelztiegels

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1059795A (ja) * 1996-08-20 1998-03-03 Toyo Tanso Kk 半導体単結晶引き上げ用ｃ／ｃルツボ
EP0913504A1 (fr) * 1996-06-27 1999-05-06 Toyo Tanso Co., Ltd. Creuset destine au tirage du cristal et son procede de production
JPH11171681A (ja) * 1997-12-16 1999-06-29 Toyo Tanso Kk 単結晶引上げ装置用高温部材及びその製造方法
WO2001038625A2 (fr) * 1999-11-24 2001-05-31 Snecma Moteurs Procede de fabrication d'un bol en materiau composite thermostructural, bol tel qu'obtenu par le procede, et utilisation du bol comme support de creuset

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2610951B1 (fr) 1987-02-17 1989-05-05 Aerospatiale Armature tissee pour materiau composite

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0913504A1 (fr) * 1996-06-27 1999-05-06 Toyo Tanso Co., Ltd. Creuset destine au tirage du cristal et son procede de production
JPH1059795A (ja) * 1996-08-20 1998-03-03 Toyo Tanso Kk 半導体単結晶引き上げ用ｃ／ｃルツボ
JPH11171681A (ja) * 1997-12-16 1999-06-29 Toyo Tanso Kk 単結晶引上げ装置用高温部材及びその製造方法
WO2001038625A2 (fr) * 1999-11-24 2001-05-31 Snecma Moteurs Procede de fabrication d'un bol en materiau composite thermostructural, bol tel qu'obtenu par le procede, et utilisation du bol comme support de creuset

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1998, no. 08 30 June 1998 (1998-06-30) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1999, no. 11 30 September 1999 (1999-09-30) *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113272470A (zh) * 2018-10-31 2021-08-17 派特欧赛拉米克斯股份公司 用于渗透和快速气相沉积多孔组件的方法和装配件
CN112374893A (zh) * 2020-11-26 2021-02-19 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司 高密度锆系改性细编穿刺陶瓷基复合材料产品的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
FR2825699A1 (fr) 2002-12-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0721438B1 (fr) Procede de fabrication d'un materiau composite a interphase lamellaire entre fibres de renfort et matrice, et materiau tel qu'obtenu par le procede
EP0282386B1 (fr) Matériau composite à matrice et fibres de renforcement en carbone et son procédé de fabrication
EP0817762A1 (fr) Materiau composite protege contre l'oxydation par matrice autocicatrisante et son procede de fabrication
FR2607840A1 (fr) Procede et dispositif de revetement de fibres de carbone par un carbure et fibres de carbone ainsi revetues
FR2692254A1 (fr) Matériaux céramiques composites, notamment pour la réalisation d'aubes de turbines à gaz.
WO2010076475A1 (fr) Procede de traitement de fibres ceramiques
FR2700330A1 (fr) Procédé de fabrication d'un composite céramique modifié.
EP0555130B1 (fr) Procédé de fabrication de pièces en matériau composite à matrice céramique
FR3059322A1 (fr) Piece en materiau composite
EP1219730A1 (fr) Procédé pour la protection d'un bol en matériau carboné, notamment en composite C/C, destiné à recevoir un creuset, tel qu'un creuset en silice utilisé pour le tirage de monocristaux de silicium
FR2668479A1 (fr) Piece en materiau composite carbone, protegee contre l'oxydation et son procede de fabrication.
FR2654094A1 (fr) Procede de fabrication d'un materiau carbone protege contre l'oxydation par du nitrure d'aluminium et materiau obtenu par ce procede.
WO2002100797A1 (fr) Procede de densification et de traitement anticorrosion d'un materiau composite thermostructural
EP1153000B1 (fr) Procede de fabrication d'un bol en materiau composite thermostructural, notamment pour une installation de production de silicium monocristallin
WO2021156549A1 (fr) Procédé de fabrication de composites à matrice céramique comprenant une interphase spécifique
EP3592716A1 (fr) Procédé de réalisation d'une préforme fibreuse consolidée
FR3074173A1 (fr) Densification d'une piece en cmc et outillage adapte
EP0634378B1 (fr) Procédé pour améliorer la tenue à l'oxydation d'un matériau composite à renfort fibreux et à matrice verre, vitrocéramique ou céramique
EP0872459B1 (fr) Procédé et appareil de fabrication d'une fibre optique munie d'un revêtement hermétique
EP2522759B1 (fr) Installation de traîtment avec bain de métal fondu
WO2021005280A1 (fr) Procede de fabrication d'une piece en materiau composite a matrice de carbure de silicium
FR3081156A1 (fr) Procede de fabrication d'une piece cmc revetue
EP0955281A1 (fr) Matériau composite de type carbone/carbone ayant une résistance accrue à l'oxydation
WO2022269178A1 (fr) Procede de traitement d'une fibre de carbure de silicium
FR2643088A1 (fr) Procede de revetement a base d'un element de type metallique d'un substrat en oxyde ceramique et oxydes ceramiques ainsi revetus

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP KR US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP