Pièces céramiques de type carbure par impression 3D de polymères précéramiques synthétisés à façon – PDCs-3D

Le procédé de stéréolithographie, qui utilise le principe de la photo-polymérisation, permet la fabrication directe de pièces céramiques denses avec des architectures complexes, une haute résolution dimensionnelle, un bon état de surface et des propriétés similaires à celles obtenues avec des procédés conventionnels. Ce procédé ouvre des perspectives dans différents domaines comme le biomédical, où l’hydroxyapatite est utilisée pour des reconstructions faciales, ou encore alors la joaillerie ou l’électronique; domaines dans lesquels l’alumine et la zircone seront privilégiées. Dans certains cas, cette technique se heurte aux problèmes d’absorption des poudres céramiques utilisées comme précurseurs. C’est particulièrement observé avec des poudres de carbure de silicium (SiC) rendant la fabrication de cette céramique impossible par stéréolithographie alors qu’il s’agit d’un matériau hautement stratégique pour les domaines du civil et du militaire. Une solution pour palier au problème d’absorption du SiC dans le domaine UV consiste à utiliser non plus un système à base de poudres de SiC, mais un polymère photo-polymérisable en tant que précurseurs de SiC. Dans le cadre du projet ASTRID PDCs-3D, nous proposons de coupler la stéréolithographie à une voie moléculaire de synthèse de céramiques techniques de type non-oxyde (base SiC) appelée voie « Polymer-Derived Ceramics (PDCs) ». Ce couplage « stéréolithographie-PDCs » devrait nous permettre de contrôler précisément la stœchiométrie des éléments chimiques et la micro-/nanostructure des matériaux envisagés tout en élaborant des formes complexes de céramiques avec des retraits limités dans des compositions jusque-là non explorées en stéréolithographie. Ainsi, l’objectif du projet PDCs-3D est de développer une nouvelle génération de matériaux céramiques base SiC (SiC et ses (nano)composites B4C/SiC, TiC/SiC et AlN/SiC) à haute retombée technologique en intégrant la fonction photo-polymérisable à des précurseurs polymères synthétisés à façon et contenant des charges actives. Les critères de choix de la céramique en termes de propriétés sont une bonne tenue mécanique en température, une stabilité chimique et des propriétés plus spécifiques selon la nuance choisie (propriétés électriques, conductivité thermique, …). En s’inscrivant dans l’axe thématique principal « Matériaux, chimie et énergie » et plus particulièrement dans le sous-thème 6.6.1 « Matériaux » de l’appel à projet ASTRID 2019, le projet PDCs-3D s’organise en quatre tâches scientifiques interconnectées allant de la synthèse et la caractérisation rhéologique de polymères précéramiques à la caractérisation des propriétés d’usage des objets céramiques élaborés. Ainsi, les matériaux seront caractérisés à chaque étape de leur élaboration afin de produire des céramiques avec les caractéristiques intrinsèques visées et les rendre fonctionnelles pour le domaine de la défense et du civil comme, par exemple, matériaux de structure pour la balistique ou encore l’allègement des structures. Pour atteindre ces objectifs, le projet PDCs-3D se base sur des résultats préliminaires acquis récemment. Ce projet de recherche porté par l'Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER) est proposé pour une période de 36 mois. Il rassemble des expertises complémentaires en synthèse de polymères précéramiques à façon, en rhéologie de ces polymères, en stéréolithographie, en procédés de traitement thermique et en caractérisation de céramiques. Au terme du projet, les résultats obtenus devraient conduire à des avancées significatives sur la stéréolithographie d’objets céramiques de type carbure. Une toute nouvelle famille de céramiques techniques sera alors accessible par fabrication additive. Nous espérons produire des preuves de concept qui pourraient intéresser le milieu industriel et permettre à la France de se positionner sur cette thématique en pleine croissance à l’échelle mondiale.