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Élaboration et caractérisation de céramiques 3D en couplant la chimie des précurseurs avec l'impression 3D

Authors
  • El Chawich, Ghenwa
Publication Date
Dec 15, 2021
Source
HAL
Keywords
Language
French
License
Unknown
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Abstract

Les céramiques techniques 3D à géométrie complexe font actuellement l’objet d'une demande croissante pour diverses applications dans des conditions sévères. Elles présentent des propriétés importantes telles qu’une excellente stabilité chimique, une grande résistance à l’oxydation et la corrosion ainsi que des propriétés mécaniques importantes les rendant des composants fiables dans les domaines électronique, aérospatial et biomédical. En particulier, les céramiques à base de Si sont caractérisées par d’excellentes propriétés thermochimiques et une résistance au fluage. La fabrication additive (AM) est la technologie de choix pour concevoir des objets de forme quasi nette avec un contrôle parfait de la géométrie et de la porosité à différentes échelles. Cependant, les poudres céramiques traditionnelles sont difficiles à imprimer à cause de leur dureté et friabilité. Par conséquent, les polymères précéramiques conviennent à l'impression 3D car ils sont facilement modifiables à l'état moléculaire. Dans ce travail, nous avons combiné l'impression 3D avec la chimie des précurseurs (PDCs) pour fabriquer des céramiques à base de Si à géométrie complexe. Deux technologies d’AM ont été investiguées : Fused Deposition Modeling (FDM) basée sur la fusion d'un filament thermoplastique et UV-LCD basée sur la photopolymérisation d’une résine sous rayonnements UVs. La caractérisation des polymères précéramiques et des céramiques qui en dérivent a été systématiquement étudiée. L’influence de la composition chimique et structure du polymère sur son imprimabilité a été présentée. Tout d'abord, nous avons élaboré des céramiques type carbonitrure de silicium (SiCN) et carbure de silicium (SiC) par impression indirecte en couplant la technologie FDM avec une approche de réplique. Nous avons imprimé par FDM des motifs acide polylactique (PLA) en nid d'abeille qui ont été revêtus par le polyvinylsilazane (PVZ) ou l’allylhydrydopolycarbosilane (AHPCS) précurseurs respectifs de SiCN et SiC. Ces polymères ont été chimiquement réticulés avec le dicumyl peroxide. Une pyrolyse ultérieure sous atmosphère contrôlée permet la réticulation thermique des polymères à 130°C, la décomposition du PLA à 320°C et la céramisation à 1000°C. Un rétrécissement volumique a été observé suite à la décomposition du PLA et de la céramisation. SiBC (dérivé de AHPCS modifié par le bore) a également été élaboré pour étudier l'effet du bore sur l’imprimabilité de Si-C. Deuxièmement, nous avons synthétisé des polymères précéramiques photosensibles précurseurs de SiOC, SiC ou SiCN selon deux approches : i) mélange du polymère avec une résine photosensible commerciale et ii) synthèse d'un polymère précéramique sensible aux UVs par fonctionnalisation avec des unités photosensibles. Nous avons procédé ensuite à l’impression 3D par UV-LCD de ces polymères en optimisant plusieurs paramètres : temps d'exposition, épaisseur et nombre de couches. Dans la première approche, deux types de précurseurs de SiOC ont été utilisés : méthyl silsesquioxane (Silres MK) et polyméthylhydrosiloxane (PMHS) qui ont été mélangés avec une résine commerciale photosensible. Un meilleur comportement mécanique de la céramique en forme de pastille est observé avec Silres MK dû à son meilleur rendement céramique. Dans la deuxième approche, Silres MK photosensible est préparée soit par un simple mélange avec des agents photoréticulables type triméthylolpropane triacrylate (TMPTA) et/ou 1,6 hexanediol diacrylate (HDDA), soit par greffage de fonctions triacrylates du 3-(triméthoxysilyl) propyle méthacrylate (TMSPM) sur les fonctions Si-OH du Silres MK. Les céramiques 3D SiOC obtenues après pyrolyse montrent une conservation de la forme de la pastille presque sans fissures. Notre approche a également été appliquée à la fabrication de céramiques non-oxydes SiC et SiCN, prouvant la versatilité de synthétiser des polymères précéramiques photosensibles oxyde et non-oxyde.

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