Caractérisation et localisation de l’endommagement dans les matériaux sous contrainte thermique : application de l’émission acoustique

Les centrales solaires à concentration représentent une solution prometteuse dans la transition énergétique. Un grand nombre d’études vise à améliorer leurs performances. Les aléas climatiques (passages nuageux) produisent des variations brutales dans le flux solaire, ce qui engendre de fortes contraintes thermiques et mécaniques sur le récepteur. Les caractéristiques attendues pour un matériau constitutif d’un récepteur de bonne qualité sont la tenue en température, à l’oxydation, une bonne conductivité thermique et un faible coefficient de dilatation thermique. Le carbure de silicium (SiC, semble donc être un bon candidat. Son inconvénient majeur est sa faible capacité de déformation engendrant un comportement mécanique fragile (rupture soudaine et non prévisible). Une série de thèses a permis de développer un banc d’essai pour matériau sous irradiation solaire concentrée : le banc IMPACT (In-situ thermo-Mechanical Probe by ACoustic Tracking). Ce système expérimental permet le suivi du comportement thermomécanique du matériau grâce à l’émission acoustique (EA) et au suivi de la température de l’échantillon. Ces échantillons sont des disques de 100 mm de diamètre pour une épaisseur de 4 à 5 mm. L’EA correspond à la détection des ondes élastiques transitoires (appelées salves) générées par l’endommagement du matériau soumis à une contrainte (mécanique ou thermique). On fera l’hypothèse qu’un même type d’événement, (microfissuration, corrosion, délamination...) dans un milieu de propagation de même fonction de transfert, produira un même type de salve. Chaque salve est ensuite caractérisée par une série de paramètres appelés paramètres de forme, par exemple : amplitude, durée, énergie...
Pour le système IMPACT, les salves sont détectées de manière simultanée par six capteurs pour permettre une localisation par double triangulation.
Le comportement du carbure de silicium (SiC) sous contraintes thermiques sévères nécessite plus d’investigations, notamment dans le cadre de la conception de système assemblés. En effet, lors du projet SicSol en 2013, un récepteur assemblé en SiC avait explosé suite à une variation de flux solaire brutale. Le mécanisme de la rupture n’est à ce jour pas connu. Afin de mieux comprendre les différents mécanismes mis en jeu, des échantillons de SiC ont été testés sur le banc IMPACT. Certains d’entre eux contiennent une singularité connue (brasure) afin d’évaluer l’impact de ces discontinuités sur le comportement global de l’échantillon. Un chargement thermique cyclique permet de générer un champ de contrainte de même nature dans l’échantillon. Les données brutes de l’EA sont enregistrées puis traitées afin de mieux caractériser et localiser l’endommagement. Le comportement général observé est que les brasures de plus fine épaisseur permettent une meilleure tenue des échantillons. Les objectifs de ces expérimentations sont de caractériser le comportement sous flux solaire concentré d’échantillons en SiC.
Premièrement, dans cette communication, nous présenterons le principe de l’EA. Puis, nous détaillerons le fonctionnement du dispositif expérimental IMPACT ainsi que l’enjeu qu’il représente dans la compréhension du comportement thermomécanique des assemblages en SiC. Enfin, nous aborderons les résultats expérimentaux obtenus sur des échantillons de SiC assemblés.