Un bouclier céramique qui résiste à 2 250 °C

L'essentiel en 30 secondes

89 %de résistance conservée après 5 min à 2 100 °C

2 250 °Csupportés 7 minutes sans que les couches ne se séparent

42 µmde couche protectrice formée d'elle-même en surface

Trois recettes de céramique ont été testées dans un jet de plasma reproduisant la rentrée dans l'atmosphère.
La recette à 20 % de diborure de zirconium offre le meilleur équilibre entre solidité et protection.
Elle dépasse les exigences de la future capsule RETOUR-I et entre en phase de qualification.

Résumé

Les boucliers thermiques réutilisables doivent supporter plus de 2 000 °C tout en restant solides. Nous avons fabriqué trois composites céramiques SiC/SiC contenant 10, 20 et 30 % en volume de diborure de zirconium (ZrB₂), puis exposé des panneaux de 10 × 10 cm à un jet de plasma d'air pendant 2 à 7 minutes. La formulation à 20 % conserve 89 % de sa résistance à la flexion après 300 s à 2 100 °C et ne présente aucun délaminage jusqu'à 2 250 °C. Les analyses montrent qu'une couche d'oxyde de zirconium et de verre se forme en surface et bloque l'oxygène. Un modèle simple d'endommagement reproduit les mesures (R² = 0,976).

Composite céramiqueBouclier thermiqueRentrée atmosphériqueZrB₂Plasma

01Introduction

Lorsqu'une capsule revient de l'orbite, elle plonge dans l'atmosphère à près de 28 000 km/h. L'air devant elle est comprimé si violemment qu'il se transforme en : la face avant du véhicule, le bouclier thermique, dépasse alors les 2 000 °C pendant plusieurs minutes.

Une rentrée atmosphérique, seconde par seconde

Altitude120 km

Vitesse7,8 km/s

Température du bouclier300 °C

0 s

Figure 1Profil type d'une rentrée depuis l'orbite basse, simulé pour la capsule RETOUR-I. L'échauffement culmine vers 190 s, vers 70 km d'altitude, lorsque l'air devient assez dense alors que la vitesse est encore très élevée. Faites glisser le curseur pour suivre la descente.

Les boucliers actuels sont soit ablatifs (ils se consument volontairement et ne servent qu'une fois), soit faits de tuiles fragiles. Pour des véhicules réutilisables, il faut un matériau à la fois très résistant à la chaleur et solide mécaniquement.

Les (CMC) en carbure de silicium sont de bons candidats : trois fois plus légers que les alliages métalliques réfractaires, ils se fissurent progressivement au lieu de casser net. Leur limite : au-delà de 1 800 °C, l'oxygène de l'air les ronge peu à peu. C'est ce qu'on appelle la .

L'idée de l'étudeAjouter au composite des grains de (ZrB₂). En chauffant, ces grains s'oxydent et forment une croûte réfractaire qui scelle la surface, comme une peau protectrice qui se fabrique toute seule.

02Matériau et essais

Trois recettes de composite

Des fibres de carbure de silicium sont tissées en 12 couches entrelacées, puis gainées d'une fine de nitrure de bore (0,4 µm). Le carbure de silicium est ensuite déposé autour des fibres à partir d'un gaz, à 1 000 °C. Les grains de ZrB₂ (2 µm de diamètre) sont ajoutés avant la dernière étape. Trois teneurs ont été fabriquées : CMC-10Z, CMC-20Z et CMC-30Z (10, 20 et 30 % en volume).

Coupe du composite CMC-20Z vue au microscope électronique (schéma)

Survolez ou touchez un constituant pour le mettre en évidence.

Figure 2Représentation schématique d'une coupe polie de CMC-20Z. Les fibres (∅ ≈ 10 µm) sont regroupées en torons tissés ; les grains de ZrB₂ sont répartis de façon homogène dans la matrice. Porosité résiduelle mesurée par tomographie X : 3,2 ± 0,4 %.

Le banc à plasma HÉLIOS-3

Les panneaux (100 × 100 × 8 mm) sont placés face à un jet de plasma d'air produit par une torche de 1,2 MW, qui reproduit l'échauffement d'une rentrée. La température de surface est suivie par un et par une caméra infrarouge ; 32 capteurs mesurent la pression sur le support.

Principe du banc d'essai HÉLIOS-3

Figure 3Le jet de plasma frappe la face avant du panneau. Le pyromètre mesure la température en un point à partir de deux longueurs d'onde (± 35 °C à 2 000 °C) ; la caméra infrarouge filme toute la surface à 100 images par seconde.

Tableau 1Les six essais de la campagne 2026

Essai	Matériau	Température	Flux de chaleur	Durée	État du panneau
HEL-01	CMC-10Z	1 800 °C	4,2 MW/m²	300 s	Intact
HEL-02	CMC-10Z	2 100 °C	6,8 MW/m²	180 s	Couches décollées
HEL-03	CMC-20Z	2 100 °C	6,8 MW/m²	300 s	Intact
HEL-04	CMC-20Z	2 250 °C	8,5 MW/m²	420 s	Intact
HEL-05	CMC-30Z	2 400 °C	10,2 MW/m²	300 s	Intact
HEL-06	CMC-30Z	2 400 °C	10,2 MW/m²	420 s	Fissures en surface

Besoin de la mission RETOUR-I : 2 050 °C pendant 360 s. Les essais HEL-04 et HEL-05 vont au-delà.

03Résultats

Combien de résistance reste-t-il après la chauffe ?

Après chaque essai, des barrettes découpées dans les panneaux sont cassées en . On compare leur résistance à celle du matériau neuf. Pour être retenu, un matériau doit en conserver au moins 85 %.

Résistance conservée selon la température d'exposition (300 s)

Figure 4Résistance à la flexion mesurée après exposition, en pourcentage de la valeur initiale (moyenne de 3 éprouvettes). La ligne pointillée indique le seuil de 85 % ; la bande orange, la température attendue pendant la mission. CMC-10Z s'effondre dès 2 100 °C, tandis que CMC-20Z et CMC-30Z restent au-dessus du seuil jusqu'à 2 250 °C et 2 400 °C.

À 2 100 °C, CMC-20Z garde 89,4 % de sa résistance (312 ± 18 MPa), contre 64 % pour CMC-10Z. CMC-30Z résiste encore mieux à la chaleur, mais il devient plus cassant et se fissure lors de l'essai le plus long (HEL-06).

Une chaleur bien répartie

La caméra infrarouge montre que la surface chauffe de façon régulière : la chaleur est maximale au centre, face au jet, et diminue doucement vers les bords. L'écart ne dépasse pas 85 °C sur toute la zone exposée.

Température de surface pendant l'essai HEL-04, à t = 210 s

Survolez le panneau

Figure 5Carte thermique de la zone exposée (80 × 80 mm) du panneau CMC-20Z, en °C. Le centre atteint 2 250 °C. Aucune zone froide anormale, signe qu'aucune couche ne s'est décollée.

04Discussion

Une peau protectrice qui se forme en chauffant

Au microscope, les panneaux CMC-20Z et CMC-30Z sont recouverts d'une couche de 18 à 42 µm faite d'oxyde de zirconium et d'un verre de silice. Le squelette d'oxyde de zirconium tient la couche, et le verre bouche les pores : l'oxygène ne peut plus atteindre le composite. Sans assez de ZrB₂, cette couche reste trop mince et la surface s'érode.

Ce qui se passe à la surface pendant l'exposition

CMC-10ZIntact

Couche protectrice0 µm

Matériau perdu0 µm

CMC-20ZIntact

Couche protectrice0 µm

Matériau perdu0 µm

0 s

Figure 6Évolution de la surface pendant 300 s à 2 100 °C, d'après les coupes observées après essai (même échelle pour les deux matériaux). Les points blancs représentent l'oxygène de l'air. Sur CMC-20Z, la couche d'oxyde (orange) arrête l'oxygène ; sur CMC-10Z, elle reste trop mince et la surface recule.

Le bon dosagePlus de ZrB₂ donne une meilleure protection, mais rend la matrice plus dense et plus cassante. L'optimum se situe entre 20 et 25 % : c'est pourquoi CMC-20Z est retenu comme formulation de référence.

Un modèle pour prévoir la résistance

Pour dimensionner le bouclier par simulation, nous proposons une formule qui prédit la résistance restante à partir de la température et de l'état d'endommagement du matériau :

σ(T) = σ₀ · e^{−α(T − T₀)/T_f} · (1 − D_m − β·D_i)

σ₀Résistance du matériau neuf.

e^−α(…)Affaiblissement dû à la chaleur seule.

1 − D_m − β·D_iPart du matériau encore saine : fissures de la matrice (D_m) et de l'interphase (D_i).

Ajusté sur les 18 mesures de CMC-20Z (α = 1,24 ; β = 1,7), le modèle suit de près l'expérience : les points tombent presque tous sur la diagonale.

Résistance prédite par le modèle ou mesurée (CMC-20Z)

Figure 7Chaque point compare une mesure à la prédiction du modèle ; un point sur la diagonale signifie une prédiction parfaite. R² = 0,976, erreur moyenne (RMSE) = 6,8 MPa sur 18 éprouvettes.

05Conclusion

Ajouter 20 % de diborure de zirconium à un composite SiC/SiC permet de franchir la barrière des 2 000 °C : le matériau conserve plus de 85 % de sa résistance jusqu'à 2 250 °C pendant 7 minutes, grâce à une couche d'oxyde qui se forme d'elle-même et bloque l'oxygène. Un modèle simple reproduit ces résultats et servira à dimensionner le bouclier de RETOUR-I.

Mars 2026Formulation retenueCMC-20Z devient la référence du programme.
2027QualificationPanneaux grandeur réelle et cycles répétés de chauffe.
2028Mission RETOUR-IPremier vol du bouclier réutilisable.