Caractérisation du comportement à l'interface fibre-matrice des composites fibre de carbone/PEEK

Doctorante : Milena TOSTI UMEMURA

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

La qualité de l'interface fibre-matrice est cruciale pour la détermination des propriétés finales des composites renforcés par des fibres, car elle influence l'efficacité du transfert de contraintes entre la fibre et la matrice, affectant ainsi significativement le comportement mécanique du composite. Dans cette étude, les interfaces entre 4 nuances de fibres de carbone et une matrice thermoplastique de polyétheréthercétone (PEEK) sont étudiées à partir d'une approche multi-échelle, visant à caractériser le comportement des interfaces sous différents modes de sollicitation. En particulier, l'influence de la rugosité et de la composition chimique de la surface des fibres de carbone sur les propriétés interfaciales d'un composite modèle comportant une seule fibre dans la matrice a été étudiée. Dans un premier temps, une étude macroscopique de la fragmentation des fibres sous charge longitudinale, suivie par émission acoustique, a permis de caractériser les propriétés interfaciales en cisaillement par une analyse statistique. La fragmentation des fibres a été utilisée pour estimer les propriétés mécaniques des fibres de carbone. Une analyse complémentaire in situ par microtomographie synchrotron à rayons X a permis une observation détaillée des mécanismes de fragmentation, révélant un retrait en longueur des fragments, même après saturation de la fragmentation. Une analyse micromécanique innovante a été proposée à partir de ce retrait pour estimer la résistance interfaciale au cisaillement (IFSS), permettant d'estimer l'évolution décroissante de l'IFSS pendant l'essai de fragmentation. Les propriétés interfaciales sous chargement transversal ont également été caractérisées par des essais de traction in situ par microtomographie synchrotron à rayons X, révélant une relation entre la propagation de l'endommagement dans la direction axiale de la fibre et la qualité de l'interface. Les caractéristiques interfaciales déterminent aussi la présence d'amorces de fissures au niveau de l'interface, leur ouverture au niveau de la décohésion à l'interface, et leur propagation éventuelle dans la matrice. Une observation précise de l'initiation de l'endommagement interfacial a été obtenue par microscopie électronique à balayage lors d'essais de traction transversale in situ sur des échantillons composites modèles. Ils ont permis de montrer les effets induits par la qualité de l'interface sur les mécanismes d'endommagement au voisinage immédiat de la fibre. Ces résultats démontrent ainsi que la chimie de surface des fibres de carbone a une forte influence sur le cisaillement et l'ouverture à l'interface fibre-matrice, comparée à avec la rugosité de la surface de la fibre. Cependant, cette rugosité a un impact significatif sur la propagation de l'endommagement dans la direction longitudinale des fibres. De plus, une fois la fibre et la matrice complètement décollées, une rugosité plus élevée implique également une érosion plus importante de la surface du polymère en contact avec la fibre, ce qui entraîne une diminution plus rapide des valeurs de l'IFSS d'une part, et d'autre part une plus grande tendance à la formation de fissures qui se propageront dans la matrice.

 

Mobilité moléculaire dans des réseaux époxy au degré d'hétérogénéité croissant

Doctorante : Carolina FRANZON

Laboratoire INSA : IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères

École doctorale : ED534 : Matériaux de Lyon

Les propriétés physiques des réseaux thermodurcissables sont largement influencées par leur architecture et en particulier par leur densité de réticulation et hétérogénéité topologique. Cela concerne notamment les propriétés mécaniques aux grande déformation (e.g. effets bien établis sur la ténacité), les propriétés barrières (e.g. perméabilité aux gaz, absorption d'eau), ainsi que les propriétés électriques, en lien avec la polarisation interfaciale ou effet Maxwell-Wagner-Sillars (MWS), caractéristique des diélectriques hétérogènes. La mobilité moléculaire est identifiée pour intervenir au premier ordre dans des propriétés physiques macroscopiques de la phase amorphe des polymères, ce qui rend son étude essentielle à l'établissement de relations structure-mobilité-propriété dans les réseaux hétérogènes, enjeu central pour la conception de matériaux polymères avancés. Dans ce contexte, cette étude vise à approfondir la compréhension fondamentale des liens entre l'hétérogénéité et ses manifestations physiques. À cette fin, des réseaux époxy-amine avec hétérogénéité topologique contrôlée de densité de réticulation ont été obtenus par dispersion de microgels époxy réticulés (MEs) dans une matrice époxy de nature chimique similaire. Les réseaux obtenus vont de réseaux homogènes (sans MEs) à des réseaux hétérogènes présentant des zones (MEs) ayant des densités de réticulation différentes de celles du réseau constituant la phase continue environnante. Une approche multitechnique combinant calorimétrie différentielle à balayage (CDB), analyse mécanique dynamique (AMD) et spectroscopie diélectrique dynamique (SDD) a été mise en œuvre pour explorer en profondeur la mobilité moléculaire de ces matériaux. Les premières investigations ont porté sur les réseaux homogènes afin d'établir une base de référence. Les effets des conditions de stockage ambiantes, notamment de l'humidité absorbée, en conjonction avec la densité de réticulation du réseau, sur les propriétés physiques telles que la mobilité moléculaire et la conductivité ont été étudiés. Des effets significatifs sur les modes de relaxation principaux (alpha) et secondaires ont été observés, soulignant l'importance du contrôle des conditions initiales des échantillons lors des études sur la mobilité moléculaire. L'analyse suivante s'est portée sur les réseaux hétérogènes. Ceux présentant un fort contraste de densité de réticulation ont révélé deux mécanismes distincts liés à la transition vitreuse, c'est-à-dire, deux Tg et deux modes alpha, correspondant aux deux types de réseaux mis en commun (MEs et matrice). L'analyse SDD a révélé une relaxation interfaciale (ou mode MWS), absente dans les réseaux homogènes de référence, et donc associée aux interfaces ME/matrice, ce qui la rend un marqueur de l'hétérogénéité structurelle introduite. Ce mode a fait l'objet d'une étude approfondie, tant expérimentale que théorique, à l'aide de la modélisation basée sur la théorie de Maxwell-Wagner. Un excellent accord a été observé entre les prédictions du modèle et le mode MWS mesuré expérimentalement dans le réseau correspondant le mieux aux hypothèses du modèle, apportant ainsi une preuve expérimentale de la validité de cette théorie fondatrice. Cet accord solide a permis de mieux comprendre les paramètres gouvernant la polarisation MWS, et ouvre la voie à la prédiction des propriétés électriques d'une phase constituante à partir de l'analyse expérimentale du mode, ce qui a été démontré pour l'un des réseaux étudiés. Ces résultats soulignent le potentiel de l'analyse MWS par BDS pour révéler des informations clés sur la structure physico-chimique des matériaux.

Synthèse et étude de composés et polymères aromatiques et hétérocycliques luminescents

Doctorant : N'gandi N'GAZA

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Cette thèse porte sur la synthèse, la caractérisation des propriétés physicochimiques et photophysiques des bispyrazolopyridines (BPPs), ainsi que sur leur incorporation dans des polymères de type polyaryléther (PAE) en vue d'applications dans les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs). Une réaction de type Hantzsch catalysée par le cuivre a été développée pour produire efficacement divers BPPs portant des groupes donneurs, attracteurs d'électrons ou encombrants. Ces BPPs ont été caractérisés par spectroscopie RMN, diffraction des rayons X (DRX) et analyses thermiques, révélant des structures variées et une grande stabilité thermique. Certains BPPs contenant des groupes phénoliques ont été modifiés en monomères polymérisables (Mol, Mo2) et intégrés dans des polymères PAE via un procédé de polycondensation en deux étapes. Cette méthode a permis d'incorporer une grande quantité de BPPs tout en contrôlant la structure des polymères. Les polymères obtenus (PAEMol, PAEMo2) présentent une masse molaire élevée et une bonne stabilité thermique. Ces copolymères ont été transformés en films minces par coulage de solution et pressage à chaud. Par ailleurs, un polymère de référence (PAEO) a été dopé avec Mol, Mo2 et un BPP haute performance (CarbBPP). L'analyse photophysique des composés et des polymères organiques a donné des résultats prometteurs. De nombreux BPPs émettent une lumière bleu profond ou bleu pur avec des rendements quantiques de photoluminescence ((!)PL) élevés, en solution comme à l'état solide. Les films de copolymères et les films dopés de PAEO présentent (!)PL élevé et une largeur de bande d'émission (FWHM) étroite, les rendant adaptés aux OLEDs. Des études électrochimiques par voltampérométrie cyclique ont permis d'estimer les niveaux d'énergie HOMO et LUMO. Des calculs théoriques DFT et TD-DFT ont confirmé les résultats expérimentaux et suggèrent un mécanisme d'émission hybride local et de transfert de charge (HLCT) pour Mol, Mo2 et CarbBPP.

Plasticité induite par transformation de phase dans les céramiques de zircone cériées à petites échelles

Doctorant : Marcelo DEMETRIO DE MAGALHÂES

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les céramiques à base de zircone dopée à la cérine (Ce-TZP) présentent des propriétés mécaniques uniques, notamment une transformation martensitique induite par la contrainte de la phase tétragonale vers la phase monoclinique (t-m), qui confère une plasticité induite par transformation (TRIP), une meilleure ténacité et une variabilité des contraintes à la rupture réduite par rapport aux céramiques conventionnelles. De plus, la réversibilité de cette transformation de phase positionnent les Ce-TZP comme des candidats prometteurs pour des applications comme céramiques à mémoire de forme (SMC), analogues à certains alliages métalliques, à condition que la transformation ne provoque pas de dommages microstructuraux significatifs. Ce travail vise à élucider le comportement micromécanique régissant les transformations réversibles t-m dans des micropiliers de Ce-TZP. L'objectif principal était de caractériser comment l'orientation cristallographique, les joints de grains et les défauts microstructuraux influencent l'initiation et la propagation de la transformation martensitique, ainsi que sa réversibilité et les effets de mémoire de forme associés. Pour cela, des micropiliers monocristallins et oligocristallins ont été fabriqués et soumis à des charges mécaniques à l'aide de techniques in situ telles que la microdiffraction Laue et la microscopie électronique à balayage (MEB), incluant la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Des traitements thermiques ont également été appliqués pour étudier la transformation inverse (m-t), permettant l'observation directe de l'effet mémoire de forme et l'évaluation de la déformation résiduelle. Les résultats ont montré que la transformation martensitique dépend fortement de l'orientation, se produisant préférentiellement selon des directions cristallographiques qui maximisent les contraintes de cisaillement. Par ailleurs, les hétérogénéités microstructurales telles que les interfaces et les défauts ont un impact significatif sur l'initiation, la propagation et le comportement mécanique qui en découle. Des cycles mécaniques répétés combinés à des traitements thermiques ont confirmé la réversibilité partielle du changement de forme dû à la transformation, et révélé une diminution progressive de la contrainte critique. Ce comportement a été observé après un cycle initial de transformation t-m suivi d'une transformation inverse m-t. La transformation facilitée pourrait être attribuée aux défauts introduits lors du premier cycle, qui modifient le paysage énergétique. L'absence de récupération complète serait probablement liée à l'activité de dislocations, entraînant une déformation plastique résiduelle après chauffage.

Fonctionnalisations chimiques de polysaccharides par la réaction de Passerini pour des applications dans le secteur de l'emballage

Doctorante : Clémence VUILLET

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Dans un contexte global de transition écologique, et de réglementation renforcée contre les plastiques à usage unique, le développement de matériaux d'emballage à base de polysaccharides, suscite un intérêt croissant. Toutefois, l'hydrophilie de ces polymères naturels limite leurs performances barrières vis-à-vis de l'eau. Ce projet de thèse, qui s'inscrit dans un projet ANR (MODERATO) vise la synthèse de nouvelles familles de polysaccharides modifiés par la réaction de Passerini à 3 composants, en vue d'être utilisées comme revêtements biosourcés fonctionnels conférant à des substrats papier de bonnes propriétés barrières, maintenues sous des variations d'humidité et de température, pour l'emballage alimentaire. La réaction de Passerini permet de lier chimiquement 3 précurseurs (acide carboxylique, aldéhyde, isonitrile) en conditions aqueuses monotopes sans catalyseur, ni agent de couplage. Pour répondre aux objectifs visés, cette réaction a été appliquée à la carboxyméthylcellulose (CMC) et à l'alginate (ALG) pour générer des nouveaux dérivés de CMC et d'ALG doublement hydrophobisés, d'une part, et des dérivés à la fois hydrophobisés et porteurs de PEG-co-PPG thermosensible (caractère à LCST dans l'eau), d'autre part. Une large gamme de dérivés de DS variés, atteignant 0,50 (70% de conversion des acides carboxyliques) a été synthétisée. Les propriétés de mouillabilité des dérivés hydrophobisés, sous la forme de films minces, ont été analysées, en lien avec leur composition structurale. L'adsorption de ces dérivés sur différents types de substrat a été évaluée par des expériences de QCM-D qui ont montré que la fonctionnarisation Passerini mène à une augmentation des masses de polymère déposées. La caractérisation sous augmentation de la T°, des dérivés de CMC et d'ALG hydrophobisés et porteurs de segments à LCST, a mis en évidence la formation de gels physiques dans l'eau, et ce caractère thermosensible est conservé à l'état de films minces (prouvé par mouillabilité et QCM-D). De plus, des analyses par DVS et des mesures de la perméabilité à la vapeur d'eau ont montré que la double fonctionnalisation hydrophobe permet d'améliorer de façon significative les propriétés barrières à l'eau des dérivés sous la forme de films libres. Ce gain en termes d'effet barrière à la vapeur d'eau, couplé à de bonnes propriétés barrières aux graisses et à l'air ont également été démontré pour des papiers Kraft enduits des polysaccharides doublement hydrophobisés. Ces résultats ouvrent des perspectives attrayantes pour le développement d'emballages adaptés à des applications alimentaires.

Rôle de la rhéologie et de la physicochimie de l'interface dans la réponse tribologique et dynamique des systèmes frottants en composites C/C

Doctorant : Simone CIPRARI

Laboratoire INSA : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Les matériaux composites carbone/carbone (C/C) sont utilisés dans de nombreuses applications de freinage haute performance, telles que le freinage aéronautique, dans lesquelles la légèreté et la résistance thermique représentent des exigences cruciales. En raison de l'intérêt croissant pour cette classe de matériaux, un grand nombre de travaux de recherche ont étudié leur réponse tribologique. Un comportement complexe, caractérisé par l'existence de différents régimes de frottement en fonction des principaux paramètres de contact (température, pression, vitesse de glissement, etc.), a été mis en évidence. Malgré la quantité de travaux consacrés à ce sujet, seuls quelques groupes de recherche ont étudié la relation entre la réponse en frottement des matériaux C/C et l'apparition de vibrations instables induites par le frottement (FIV) du système mécanique, soulignant un rôle fondamental joué par la rhéologie de l'interface sur les comportements de frottement conduisant à l'apparition d'instabilités dynamiques au contact. Dans ce cadre, cette thèse étudie le rôle du troisième corps (c'est-à-dire la couche d'interface formée par les particules d'usure et externes) sur la réponse tribologique et dynamique des systèmes de friction C/C. À cette fin, une nouvelle méthode expérimentale d'évaluation du rôle rhéologique du troisième corps est développée, en adoptant une approche indirecte. La technique de nettoyage par ultrasons est appliquée pour retirer la couche de troisième corps d'un contact C/C, ce qui permet d'effectuer des tests sur les mêmes échantillons en présence et en absence de la couche d'interface. La comparaison entre les comportements mesurés met en évidence un rôle prédominant du troisième corps dans le contrôle de la réponse globale en frottement du système, en particulier dans des conditions de température élevée. La réintroduction dans le contact d'un troisième corps externe est également étudiée, en utilisant les échantillons nettoyés, obtenus après des conditions de freinage réelles et après l'élimination de leur troisième corps naturel, en tant que substrats. La validation de cette procédure ouvre la voie à l'essai d'échantillons de troisième corps introduits artificiellement. Des observations MEB complémentaires ont été effectuées pour caractériser la couche de troisième corps observée sur les surfaces de frottement des matériaux C/C conditionnés pendant la vie en service. Des familles morphologiques du troisième corps en accord avec la littérature existante ont été identifiées, et un accent particulier a été mis sur les contaminants hétérogènes observés dans le troisième corps carboné. Ces observations ont conduit au développement des spécimens artificiels du troisième corps, destinés à reproduire le mieux possible la morphologie du troisième corps naturel, en contrôlant la présence et la morphologie des contaminants hétérogènes. À l'aide de cette méthodologie, le rôle du troisième corps et de ses caractéristiques, telles que la morphologie et la composition chimique, sur la réponse frictionnelle et dynamique du contact C/C a été analysé. L'effet de certains contaminants du troisième corps est étudié, révélant une forte sensibilité de la réponse de frottement C/C sur la nature du contaminant, même en présence d'une faible fraction d'éléments hétérogènes dans la couche de troisième corps. Chaque type de contaminant est caractérisé en termes d'effet sur les valeurs moyennes de frottement et sur la relation coefficient de frottement - vitesse, deux aspects fondamentaux pour évaluer leur impact sur l'apparition de vibrations instables induites par le frottement. Des scénarios rhéologiques sont ensuite proposés pour expliquer la réponse tribologique mesurée, en clarifiant les comportements de frottement qui conduisent à l'apparition d'une réponse dynamique instable du système.

 

Développement de matrices alcali-activées pour la stabilisation, la solidification et le stockage des déchets dangereux

Doctorant : Timothée JALLOUX

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED n°34 ML - Matériaux

Les Résidus d'Epuration de Fumée d'incinération d'Ordures Ménagères (REFIOM) constituent une part importante des déchets traités par les Installations de Stockage de Déchets Dangereux (ISDD). En raison de leur fraction soluble élevée et de la présence de métaux lourds facilement lixiviables, ces déchets nécessitent une étape de solidification/stabilisation (S/5) avant stockage, habituellement réalisée par l'ajout de ciment Portland. Cependant, les évolutions de disponibilité des matières premières, la production de nouveaux déchets plus difficiles à stabiliser et la dégradation de l'image du ciment en raison de son impact carbone sont autant de raisons pour SARPI MINERAL FRANCE d'explorer de nouveaux procédés de solidification/stabilisation. Cette thèse s'est donc penchée sur le développement de matrices alcali-activées pour la stabilisation et le stockage des déchets dangereux. Du laitier moulu de hauts fourneaux est ajouté aux REFIOMs en tant qu'aluminosilicate réactif et activé par une solution de soude et de silicates de sodium. Après une caractérisation fine des REFIOMs utilisés, trois axes d'étude ont été explorés: - l'influence de la concentration en activateur, - l'influence de la concentration en silicates de sodium, - l'optimisation de la formulation par l'utilisation d'un co­ produit industriel (calcin) et d'un inhibiteur de corrosion Ca(N03)2. Les caractérisations s'étalent sur des échéances allant jusqu'à 91 jours et ont porté sur la prise des matériaux (appareil de Vicat, étalement à la table à choc), ainsi que sur leur propriétés physiques et mécaniques (masse volumique, porosité et contrainte à rupture en compression). L'évaluation de la stabilisation des polluants a été réalisée par des essais de lixiviation de durée variable (24 h et 64 jours) avec des mesures de la fraction soluble, de la concentration en anions par chromatographie ionique et de la concentration en métaux lourds par ICP. L'identification et l'évolution des phases produites en fonction du temps par l'activation alcaline ont été étudiées par diffraction des rayons X (ORX), spectrométrie infrarouge (FTIR), analyses thermiques différentielles et thermogravimétriques (ATD­ ATG) et microscopie électronique à balayage (MEB). Cette étude a permis, dans un premier temps, de prouver la faisabilité de la 5/5 par activation alcaline dans des conditions cohérentes avec la pratique industrielle. L'efficacité des produits de réaction issus de cette activation sur la stabilisation des ions chlorure et la plupart des métaux lourds a été démontrée. La forte dégradation des propriétés mécaniques et de la stabilisation en présence de macroporosité générée par un dégagement de H2 au cours de la prise des déchets stabilisés a été clairement mise en évidence aux fortes concentrations en activateur. Cette étude a également permis d'approfondir les connaissances sur la dissolution et la précipitation des laitiers en conditions alcalines dans une matrice de déchets fortement salins. Finalement, des conditions de préparation d'une solution de silicates à partir d'un déchet riche en silice, le calcin, ont pu être mises au point et l'usage des nitrates de calcium en temps qu'inhibiteur de corrosion a démontré son efficacité pour résoudre les problèmes de lixiviation engendrés par le dégagement de H2.

Eco-conception de polymères biosourcés, biodégradables et bio-insectifuges comme alternative aux pesticides chimiques conventionnels

Doctorante : Virginie LACOTTE

Laboratoire INSA : IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères

École doctorale : ED n°34 ML - Matériaux

Les ravageurs des cultures entraînent d'importantes pertes de rendement à l'échelle mondiale. Leur lutte repose principalement sur l'utilisation de pesticides chimiques de synthèse ou de films et filets plastiques, une pratique appelée plasticulture. Toutefois, les pesticides chimiques présentent des risques pour la santé et l'environnement, tandis que les biopesticides manquent souvent de stabilité. Par ailleurs, la plasticulture, reposant sur des polymères fossiles non biodégradables, n'assure pas une protection totale contre les insectes. Bien que des alternatives à base de biopolymères émergent, leurs propriétés physiques doivent encore être améliorées. Les plastiques fonctionnalisés avec des pesticides offrent une solution prometteuse, agissant à la fois comme barrière physique et chimique contre les ravageurs, garantissant la stabilité des pesticides et leur libération contrôlée, et améliorant les propriétés des polymères. Cette thèse explore le potentiel de cette approche innovante en développant un polymère biosourcé, biodégradable et bio-insectifuge. Des huiles essentielles (HEs) ont été incorporées au polybutylène succinate-co-adipate (PBSA) par extrusion à basse température afin de préserver leur stabilité et de créer des films agricoles actifs. La libération contrôlée des HEs dans la matrice PBSA a permis de repousser efficacement les pucerons pendant plus d'un an dans des conditions simulant un environnement agricole. De plus, les HEs ont amélioré l'hydrophobicité et la ductilité des films, réduisant leur sensibilité à l'hydrolyse et au déchirement. Après un an d'exposition, la plupart des formulations ont conservé de bonnes propriétés. Enfin, les films se sont biodégradés rapidement dans le sol, notamment en présence d'HE, atteignant une dégradation quasi complète en quelques mois. La prochaine étape consistera à tester ces films en conditions réelles et contre d'autres ravageurs, tout en s'assurant qu'ils n'aient aucun impact négatif sur les espèces non ciblées. Dans un contexte où des solutions durables pour la protection des cultures sont essentielles à la sécurité alimentaire et à la préservation de l'environnement, ce polymère biosourcé, biodégradable et bio-insectifuge représente une alternative prometteuse et innovante.

Caractérisations physiques et électriques de composants verticaux à base GaN

Doctorant : Maroun DAGHER

Laboratoire INSA : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon

École doctorale : ED34 ML - Matériaux

La demande progressive des composants de puissance pour des applications à haute tension a conduit à une révolution dans le domaine d'électronique de puissance. Le nitrure de gallium (GaN) présente les propriétés nécessaires pour ces applications tels qu'un champ électrique critique élevé et une vitesse de saturation importante et ainsi, il servira comme une solution alternative du silicium dont les propriétés limitent les performances à haute tension. Des structures latérales à base de GaN sont déjà commercialisées, mais elles ne profitent pas complètement des propriétés exceptionnelles du GaN pour atteindre les limites théoriques en termes de tenue en tension. Bien que les structures verticales résolvent la limitation de fonctionnalité des structures latérales pour les applications à haute tension, mais cela n'évite pas que d'autres facteurs empêchent l'exploitation pleine des avantages du GaN. Ainsi, les travaux de cette thèse se concentrent sur la compréhension des facteurs, liés à la qualité du matériau et à l'optimisation des procédés de croissance et de fabrication, et empêchant les composants verticaux GaN-sur-GaN d'atteindre une tenue en tension optimale. Des caractérisations physiques micro-Raman sont employées pour étudier les défauts structuraux et le dopage, alors
que des caractérisations électriques DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) sont réalisées pour identifier l'origine et le type des défauts. La corrélation entre ces caractérisations va conduire à des conclusions sur l'origine des limitations électriques.

Vieillissement et mécanismes de dégradation de microbilles de zircone lors du procédé de broyage en voie humide

Doctorant : Arthur PACQUELET

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

La technique de broyage en voie humide au moyen d'un broyeur à billes agité permet de réduire et de contrôler la granulométrie de particules solides en suspension jusqu'à quelques centaines à quelques dizaines de nanomètres. Ce procédé repose sur la circulation d'une suspension à broyer dans une chambre de broyage, remplie de billes de broyage. Ces billes sont mises en mouvement par la rotation d'un arbre d'agitation, ce qui leur confère une certaine énergie cinétique. Les chocs engendrés par les collisions bille-particule-bille et bille-particule-paroi de la chambre entraînent la réduction de taille des particules et modifient leur distribution granulométrique. Néanmoins, ces chocs énergiques répétés entre les billes usent ces dernières, créant une pollution du produit à broyer ainsi qu'un coût supplémentaire pour l'utilisateur. Cette étude porte sur les mécanismes d'usure et de vieillissement de billes de broyage en zircone yttriée lors du procédé de broyage en voie humide. L'objectif des travaux réalisés était d'analyser de manière systématique l'effet de différents paramètres influant sur la dégradation des billes lors de leur usage en tests de broyage applicatifs et d'améliorer la compréhension des processus de dégradation des billes. Des études à différentes échelles ont été menées : à l'échelle du broyeur (effet de la vitesse de broyage, effet de l'usure de l'arbre de rotation, effet du revêtement de la chambre), à l'échelle du matériau de la bille (taux d'yttrium, structure cristalline et caractéristiques de surface) et à l'échelle de la suspension à broyer (effet du pH et de la température). L'étude de la dégradation des billes de broyage au moyen de diverses méthodes expérimentales (diffraction des rayons X, microscopie Raman, microscopie à force atomique, microscopie électronique à balayage et en transmission) a mis en lumière un mécanisme d'arrachement de grains lié à une dégradation subsurfacique des billes lors des impacts, ainsi qu'un changement de régime d'usure à partir d'une certaine vitesse de broyage. Un second axe d'étude, lié à la sensibilité des billes Y-TZP au vieillissement lorsqu'elles sont exposées à un milieu humide selon la température, a été mené au moyen de tests accélérés. Le vieillissement des billes en Y-TZP a ainsi été caractérisé à différents niveaux de pH et dans différents milieux (ammoniaque, acide nitrique et soude). Cette démarche nous a permis de mettre en évidence le rôle peu significatif de ce phénomène sur l'usure des billes de broyage. Une attention particulière a également été portée sur l'effet de la transformabilité des zircones Y-TZP (avec 2, 3 ou 4 mol.% en Y2O3) sur la dégradation des billes pendant le procédé de broyage en voie humide.