Description du sujet de thèse

Thèse sur la Modélisation du procédé de fabrication de composites à matrice oxynitrure de silicium
Contexte :
L'ouverture du marché de l'aéronautique civil aux matériaux composites à matrice céramique impose le développement de nouveaux procédés d'élaboration compatibles avec les cadences de production et les coûts de fabrication du secteur. À cette fin, des travaux expérimentaux ont été menés pour élaborer une matrice à base d'oxynitrure de silicium (Si2N2O) par procédé SHS (Self-propagating High-temperature Synthesis), ou synthèse par combustion, à partir d'un mélange de poudres réactives de silice et de silicium, sous haute pression de diazote.
L'oxynitrure de silicium est une céramique thermostructurale prometteuse, caractérisée par de bonnes propriétés mécaniques et électromagnétiques, mais également par une résistance à l'oxydation supérieure à celle du carbure de
silicium. Le procédé SHS est un procédé d'élaboration rapide dont le moteur est une réaction chimique suffisamment exothermique pour s'entretenir sans apport d'énergie extérieur. Il a donné de bons résultats lors d'une première campagne expérimentale. Par contre, sa maîtrise requiert de disposer d'une bonne connaissance des mécanismes physico-chimiques à l'œuvre lors de la combustion, afin de pouvoir saisir quel est l'impact des différents paramètres du procédé sur son efficacité.
Objectifs :
Il est proposé ici d'établir des outils pratiques de modélisation « multi-physique » permettant d'identifier et de suivre le front de combustion. Ceux-ci sont basés sur la résolution d'équations de bilan d'énergie et de réactifs chimiques, dans une configuration reflétant le réacteur expérimental. Ces outils devront être validés par rapport à des données expérimentales déjà acquises ou à acquérir sur un dispositif fortement instrumenté à concevoir. Ensuite, ils pourront être exploités afin d'obtenir des informations sur l'impact de variations des différents paramètres sur la qualité
du matériau obtenu, puis d'aborder une éventuelle mise à l'échelle de ce procédé et/ou son application à des systèmes différents.
Démarche :
• Etude bibliographique sur le procédé SHS appliqué à la synthèse de CMC à matrice Si2N2O.
• Etude bibliographique sur la modélisation des procédés de type SHS
• Construction du modèle : phénomènes, échelles, couplages ;
• Ecriture des équations à résoudre et analyse dimensionnelle
• Constitution d'une base de données de propriétés des matériaux nécessaire à l'alimentation du modèle
• Choix du ou des outils numériques de modélisation
• Programmation du solveur
• Validation numérique
• Validation par rapport aux données expérimentales disponibles.
• Etude paramétrique
• Proposition d'un premier réacteur simple et fortement instrumenté et première expérience de validation
• Utilisation de la modélisation pour proposer une mise à l'échelle du procédé.
Moyens :
Simulation numérique sur logiciels de modélisation multi-physique du commerce ou libres et/ou dans un langage de programmation.
Cluster de calcul présent au LCTS.
Dispositif expérimental fortement instrumenté issu d'une définition produite à l'aide du modèle (une assistance technique sera prévue pour l'approvisionnement et la mise en service du moyen).

Contexte de travail

Le LCTS est un laboratoire qui est localisé sur le campus bordelais; c'est une unité mixte à quatre tutelles - le CNRS, l'Université de Bordeaux, le groupe Safran et le CEA. Il totalise déjà 30 ans de recherches amont sur les composites réfractaires, matériaux très hautes performances employés dans l'aéronautique, le spatial et le domaine de l'énergie. C'est une équipe unique travaillant en mode projet en partenariat étroit avec ses cotutelles non-académiques. Il y a actuellement 33 personnels permanents, une vingtaine de doctorants et post-doctorants.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Etablissement ZRR.