Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS)

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Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Limoges
Ecole Nationale Supérieure de Céramique Industrielle (ENSCI)


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Thermomécanique des matériaux céramiques

Contact

Marc HUGER : marc.huger unilim.fr


Contexte/objectifs

Ce groupe nouvellement constitué au sein de l’axe 1 « Procédés céramiques » du SPCTS travaille principalement sur la compréhension, la caractérisation et la simulation du comportement thermomécanique des matériaux céramiques en relation avec leur microstructure par une approche multi-échelles. Les objectifs de cette thématique sont doubles afin de développer des matériaux à propriétés améliorées :

  • obtenir expérimentalement les paramètres descriptifs du comportement de ces matériaux soumis à des sollicitations mécaniques et thermiques correspondant aux sollicitations réelles subies. Cela peut concerner les propriétés d’élasticité, les lois de comportement mécanique en traction (voire compression), la dilatation, mais aussi la conductivité thermique ;
  • établir des corrélations avec les paramètres physico-chimiques des matériaux, en utilisant une approche de modélisation. Cela peut être par l’étude de matériaux à microstructure simplifiée (modèles) élaborés sur-mesure, par l’application de modèles analytiques disponibles dans la littérature, mais aussi par la mise en œuvre de calculs par éléments finis.

Les activités du groupe s’appliquent à un large domaine de matériaux allant des réfractaires aux nano-composites particulaires en passant par les verres de tellure, les barrières thermiques et d’autres systèmes ou l’approche mécanique peut être requise (Biocéramiques fonctionnalisées).


Activités

Thème principal

Caractérisation et modélisation du comportement thermomécanique de matériaux réfractaires

Les réfractaires sont des matériaux fortement hétérogènes qui peuvent être considérés comme "composites" car constitués de :

  • La matrice (phases liantes de type cimentaires, silico-alumineuses, liaisons chimiques, etc.) qui est le siège de la majorité des réactions physico-chimiques lors des traitements thermiques ;
  • Les agrégats (particules de tailles souvent macroscopiques, de nature oxydes ou non oxydes) qui jouent le rôle de renfort au niveau des propriétés thermomécaniques ;
  • Les interfaces matrice – agrégats qui sont le siège de mécanismes importants, en particulier de désaccords dilatométriques, qui confèrent aux réfractaires des comportements thermomécaniques spécifiques, non linéaires et souvent non fragiles avec une bonne résistance aux chocs thermiques. En cela, les réfractaires présentent des similitudes avec les CMC (Composites à Matrices Céramiques), avec cependant un niveau très inférieur de résistance mécanique.

Ces matériaux, utilisés majoritairement dans la sidérurgie, mais aussi dans les industries des métaux non ferreux, du verre, des céramiques, des ciments, de l’incinération des déchets et de la production d’énergie, travaillent dans un environnement sévère : hautes températures, gradients thermiques statiques et dynamiques (cyclages), atmosphères corrosives. La forte influence de la microstructure hétérogène des matériaux réfractaires industriels conduit souvent à des évolutions atypiques des propriétés mécaniques, en particulier d’élasticité, en fonction de la température. Ces relations microstructure-propriétés sont au cœur de nos préoccupations et nous ont conduits à développer des techniques d’investigation originales notamment à hautes températures (échographie ultrasonore, émission acoustique, traction) susceptibles de fournir des éléments pertinents pour la compréhension des effets de microstructure. L’objectif général de cette démarche multi-échelle est de disposer d’outils qui, à partir de la connaissance des propriétés à l’échelle locale, intègrent la microstructure dans la prévision des propriétés d’élasticité macroscopiques, et permettent ensuite de faire le lien avec les lois de comportement en traction, le but ultime étant l’optimisation des propriétés mécaniques (tenue au chocs thermiques) de ces matériaux.

Illustration de la relation microstructure/propriétés par l’approche multi-échelles sur une céramique modèle de Titanate d’Aluminium (TiAl2O5) : Caractérisation de la microstructure, lois de comportement, propriétés macroscopique

Thèmes transversaux

Cette thématique, compte tenu des besoins formulés par les autres axes du laboratoire, génère de nouvelles activités intra et inter axes.

Etude/caractérisation de nanocomposites particulaires

Les caractéristiques thermomécaniques des composites Si3N4 - SiC, élaborés à partir de nanopoudres SiCN sont directement liées à la nature et à la distribution des phases secondaires intergranulaires présentes. Le suivi des mécanismes de redistribution et de recristallisation de ces phases (secondaires ou majeures) par échographie US à Haute Température (HT) doit permettre la mise en évidence d’éventuels comportements superplastiques à HT au travers de l’approche relations microstructures-propriétés thermomécaniques.

Thermodynamique, diagrammes de phases, frittage

Le groupe Matériaux Hautes Performances étudie les mécanismes de frittage-réaction de matériaux céramiques (structure grenat (e.g. YAG : Y3Al5O12) destinés à être utilisés dans des cavités de laser de très haute puissance. Les différentes transformations structurales successives en température permettant d’obtenir cette phase sont étudiées des méthodes échographiques ultrasonores pour aider à la compréhension des réactions solide-solide successives conduisant à la phase YAG.

L’étude du frittage naturel et des mécanismes de croissance granulaire sur des réfractaires modèles (ex. TiAl2O5) par une approche thermodynamique doit également permettre, au travers de la modélisation de la croissance anisotrope de ce type de matériau, de mieux appréhender la genèse de sa microstructure essentielle pour améliorer ses propriétés mécaniques (chocs thermiques).

Thermomécanique des barrières thermiques

Les propriétés thermomécaniques de dépôts réalisés par projection plasma (barrière thermique, SOFC, Electrolyse Haute Température (EHT) sont d’une importance capitale car elles vont conditionner directement l’adhérence du dépôt au substrat, sa cohésion, sa résistance aux sollicitations mécaniques, au cyclage thermique. De ce fait, l’étude des contraintes thermomécaniques à l’étalement des particules, le différentiel de dilatation, la distribution locale des contraintes selon l’architecture, les contraintes résiduelles, les propriétés macroscopiques, microscopiques (dureté micro et nano), les propriétés mécaniques à haute température ou encore la tenue aux chocs thermiques sont des préoccupations essentielles devant conduire à une meilleure connaissance et donc à une meilleure maitrise de la mise œuvre de ces dépôts.

Propriétés mécaniques de matériaux (verres et vitrocéramiques) à base de TeO2

Les verres à base d’oxyde de tellure étudiés depuis près de 15 ans par le groupe "Matériaux à base de TeO2 pour l’optique non linéaire" de l’axe 3 suscitent un très grand intérêt en raison de leurs propriétés optiques non linéaires. L’apport de la détermination des propriétés mécaniques comme une caractéristique importante de la structure et consécutivement de la non linéarité de ces verres est ici déterminante. En effet, les propriétés mécaniques d’un verre (module d’Young, coefficient de poisson, etc.) découlent directement de sa structure à différentes échelles (organisation à courte et moyenne distances, type de liaisons chimiques, arrangement structuraux (chaines, réseau 3D…) et donc de la polymérisation des entités structurales). L’objectif est ici de relier les propriétés mécaniques du verre à son taux de polymérisation et, par conséquent, à sa réponse non linéaire.


Faits marquants

  • Programme Matetpro ANR ASZTECH 2013 sur la caractérisation et la modélisation du comportement thermomécanique de réfractaires à très haute teneur en ZrO2
  • Participation Programme F7P SFERA II 2013" Solar Facilities for the European Research Area-Second Phase 312643
  • Membre du Réseau FIRE Federation for International Refractories Research and Education www.fire.research.mcgill.ca

Mis à jour le 3 février 2016

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