Universite De Limoges
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UNIVERSITE DE LIMOGES ECOLE DOCTORALE Science et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique (SI-MMEA) Laboratoire Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS) Thèse pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE LIMOGES Discipline / Spécialité : Matériaux céramique et traitements de surface présentée et soutenue par Mathias GEORGES Thèse de doctorat Thèse de le 15 décembre 2016 Approche du frittage SPS de céramiques fines de carbure de bore : rôle des poudres initiales et de la mise en forme Thèse dirigée par Alexandre Maître, co-dirigée par Guy Antou, et co-encadrée par Nicolas Pradeilles JURY : Présidente M. Nathalie Moncoffre, Directeur de recherche CNRS, Université de Lyon, IPNL Rapporteurs M. Frédéric Bernard, Professeur, Université de Bourgogne, ICB M. Sébastien Mercier, Professeur, Université de Lorraine, LEM3 Examinateurs M. François Barthelemy, Ingénieur, DGA Bourge M. Grégory Etchegoyen, Docteur, Directeur du CTTC M. Nicolas Pradeilles, Maitre de Conférences, Université de Limoges, SPCTS (co-encadrant) M. Guy Antou, Maître de Conférences-HDR, Université de Limoges, SPCTS (co-directeur de thèse) M. Alexandre Maître, Professeur, Université de Limoges, SPCTS (directeur de thèse) GEORGES Mathias | Université de Limoges | 2017 A maman, partie trop tôt pour voir le fruit de son travail GEORGES Mathias | Université de Limoges | 2017 GEORGES Mathias | Université de Limoges | 2017 Remerciements J’aimerais tout d’abord remercier mon directeur de thèse, Alexandre Maître, pour sa confiance et ses précieux conseil. Mes remerciements s’adressent aussi à mes deux encadrants Guy Antou et Nicolas Pradeilles pour leurs disponibilités, leurs critiques qui m’ont permis de mener cette thèse à bien. Je tiens à remercier aussi Monsieur François Barthelemy, Ingénieur à la DGA, pour son implication dans ces travaux. Qu’il trouve ici l’expression de toute ma reconnaissance pour ses encouragements. J’exprime ma profonde reconnaissance à Monsieur Frédéric Bernard, Professeur à l’Université de Bourgogne, et à Monsieur Sébastien Mercier, Professeur à l’Université de Lorraine, pour l’honneur qu’ils m’ont fait d’avoir accepté d’être rapporteur de cette thèse. Je remercie également Madame Nathalie Moncoffre, Directeur de recherche CNRS à l’Université de Lyon, et Monsieur Grégory Etchegoyen, Docteur et Directeur du CTTC, pour leurs investissements dans cette étude et pour avoir participé au jury de soutenance. Mes remerciements vont aussi aux membres de mon bureaux, Daniel Ohin, et Loïck Bonnet pour m’avoir supporté et encouragé pendant ses trois ans et plus particulièrement pendant cette phase de rédaction. Enfin, un merci tout particulier à ma compagne et à ma famille pour leur soutien constant durant toutes ces années. GEORGES Mathias | Université de Limoges | 2017 Sommaire Introduction ................................................................................................................................ 1 1 Synthèse bibliographique ................................................................................................... 5 1.1 Le carbure de bore ....................................................................................................... 7 1.1.1 Diagramme de phases ........................................................................................... 7 1.1.2 Structure cristalline idéale du carbure de bore ..................................................... 7 1.1.3 Position des atomes de bore et de carbone en fonction de la stœchiométrie ..... 10 1.2 Synthèse du carbure de bore ...................................................................................... 14 1.2.1 Synthèse par carboréduction .............................................................................. 14 1.2.2 Synthèse par magnésiothermie ........................................................................... 16 1.3 Le frittage naturel et HP du carbure de bore ............................................................. 17 1.3.1 Définition et généralités sur le frittage ............................................................... 17 1.3.2 Mécanismes de transport de la matière .............................................................. 19 1.3.3 Le frittage de B4C par frittage naturel et Hot Pressing (HP) .............................. 20 1.4 Le frittage de B4C par Spark Plasma Sintering (SPS) ............................................... 22 1.4.1 Le procédé SPS .................................................................................................. 22 1.4.2 Effets spécifiques présumés en frittage SPS ...................................................... 23 1.4.3 Le frittage du carbure de bore par SPS .............................................................. 25 1.5 Simulation numérique multi-physique du procédé SPS ............................................ 30 1.5.1 Couplage électro-thermique ............................................................................... 31 1.5.2 Couplage thermo-mécanique .............................................................................. 35 1.6 Conclusion ................................................................................................................. 37 2 Modélisation du procédé SPS - approches expérimentale et numérique ......................... 41 2.1 Instrumentation de la machine SPS ........................................................................... 42 2.1.1 Dispositif de frittage SPS utilisé et géométrie de l’outillage ............................. 42 2.1.2 Développement d’une instrumentation électrique et thermique spécifique ....... 43 2.1.3 Caractéristiques de fonctionnement de la source de courant pulsé .................... 46 2.2 Modélisation numérique électro-thermique ............................................................... 53 2.2.1 Propriétés des matériaux présents dans l’enceinte SPS ..................................... 53 2.2.2 Système d’équations différentielles ................................................................... 55 2.2.3 Conditions aux limites ........................................................................................ 56 2.2.4 Effet du courant pulsé sur la cinétique de chauffage ......................................... 59 GEORGES Mathias | Université de Limoges | 2017 2.3 Application du modèle au carbure de bore ................................................................ 63 2.4 Changement d’échelle et application du modèle électrothermique ........................... 67 2.5 Conclusion ................................................................................................................. 71 3 Frittage SPS du carbure de bore ....................................................................................... 73 3.1 Caractérisations des poudres de carbure de bore ....................................................... 73 3.1.1 Caractérisations structurales ............................................................................... 73 3.1.2 Caractérisations morphologiques ....................................................................... 75 3.1.3 Analyse chimique ............................................................................................... 78 3.1.4 Résumé des analyses des lots de poudres de carbure de bore ............................ 79 3.2 Frittage du carbure de bore par SPS .......................................................................... 80 3.2.1 Protocole expérimental ....................................................................................... 80 3.2.2 Evolution de la densité ....................................................................................... 81 3.2.3 Evolution de la composition au cours du frittage ............................................... 84 3.3 Evolution de la taille des grains en fonction de la densité ......................................... 90 3.4 Identification des mécanismes de densification ........................................................ 93 3.4.1 Modèle de comportement d’Olevsky ................................................................. 93 3.4.2 Méthode de détermination des paramètres de densification .............................. 94 3.4.3 Résultats et discussion ........................................................................................ 96 3.5 Conclusion ............................................................................................................... 102 4 Rôle de la mise en forme sur le frittage SPS du carbure de bore ................................... 105 3.1. Formulation des suspensions : sélection des solvants ............................................. 105 3.1.1. Bibliographie sur la mise en suspension d’une poudre de carbure de bore ..... 106 3.1.2. Bibliographie sur la mise en suspension du carbure de silicium ...................... 109 3.1.3. Solvants sélectionnés ........................................................................................ 110 3.2. Résultats des essais de préparation de suspensions à partir de la poudre commerciale HC Starck de carbure de bore ............................................................................................ 113 3.2.1. Evaluation de la stabilité temporelle ................................................................ 113 3.2.2. Evaluation de la stabilité temporelle par granulométrie laser .......................... 115 3.2.3. Analyse morphologique ..................................................................................