Analyses de la microstructure et de la composition en micro-

Une lame mince a ´et´e d´ecoup´ee, `a l’aide d’un FIB, dans une particule de fer revˆe- tue d’alumine ´elabor´ee par le proc´ed´e de m´ecanofusion (cf. section II.2.4.1). L’HAADF ainsi que la diffraction ´electronique ont ´et´e utilis´ees afin d’observer la microstructure et d’analyser la composition chimique des diff´erentes zones de l’´echantillon. L’EFTEM a ´et´e utilis´ee sur cette mˆeme lame mince pour analyser la r´epartition des esp`eces chimiques `a l’interface fer/alumine.

III.1.2. Caract´erisation multi-´echelles des particules de fer revˆetues d’alumine

L’´etude de cet ´echantillon a montr´e que la lame mince pr´epar´ee est l´eg`erement trop ´

epaisse pour exploiter toutes les possibilit´es offertes par le microscope ´electronique en transmission. N´eanmoins, les analyses r´ealis´ees ont permis d’extraire un certain nombre d’informations importantes d´etaill´ees ci-dessous.

Analyse HAADF et diffraction ´electronique

La figure III.9 pr´esente l’image obtenue par HAADF de la lame mince. Cette image pr´esente trois zones distinctes (num´erot´ees de 1 `a 3) qui peuvent ˆetre attribu´ees dans un premier temps, en fonction de la g´eom´etrie et du contraste en ”Z”, `a la couche de platine d´epos´ee in situ (1) (cf. section II.2.4.1), au revˆetement d’alumine (2) et `a la partie sup´erieure de la particule de fer (3). La diff´erence de contraste dans la bande qui se situe dans le bas de la lame est la cons´equence d’une ´epaisseur plus faible. Cela explique pourquoi les d´etails semblent mieux d´efinis dans cette bande.

Figure III.9: Image, en champ sombre annulaire `a grand angle, d’une lame mince r´ealis´ee `a partir d’une particule de fer revˆetue d’alumine ´elabor´ee par le proc´ed´e de m´ecanofusion. Le cercle A met en ´evidence des porosit´es tandis que le cercle B met en ´evidence des fissures au sein du revˆetement.

Les clich´es de diffraction ´electronique, pr´esent´es figure III.10, ont ´et´e r´ealis´es dans chacune des trois zones identifi´ees sur l’image III.9 afin de d´eterminer leur composition. Le clich´e (a), r´ealis´e dans la zone 1, pr´esente les anneaux de diffraction relatifs aux plans (111), (200), (220) et (311) du platine. Le clich´e (b), correspondant `a la zone 2, pr´esente les anneaux relatifs aux plans (012), (014), (113), (115), (116) et (030) de l’alumine stable

III.1. Caract´erisation microstructurale et chimique des particules de fer revˆetues d’alumine

α. Finalement, le clich´e (c) issu de la zone 3, montre les tˆaches de diffraction relatives aux plans (002) et (202) d’un cristal de fer orient´e dans la direction [001].

(a) Clich´e de diffraction r´ealis´e dans la zone (1).

(b) Clich´e de diffraction r´ealis´e dans la zone (2).

(c) Clich´e de diffraction r´ealis´e dans la zone (3).

Figure III.10: Clich´es de diffraction r´ealis´es dans chacune des trois zones de la lame mince pr´esent´ee figure III.9.

L’indexation des anneaux (III.10-a et b) ou des taches (III.10-c) issus des clich´es de diffraction confirme bien la s´equence d´etermin´ee `a partir de la figure III.9, `a savoir : la couche (1) est bien constitu´ee de platine, la couche (2) d’alumine et la zone (3) de fer.

La figure III.9 montre clairement que la couche de fer `a la surface de la particule pr´esente une structure granulaire. Cette structure r´esulte du pr´e-traitement de 2 heures appliqu´e `a la poudre commerciale de fer, au cours duquel les grosses particules de fer et les agglom´erats encore intacts sont revˆetus par les petites particules de fer, provenant de la destruction des agglom´erats. De plus, la figure III.9 montre que la couche d’alumine contient des porosit´es (cercle A). Enfin, il existe, au sein de la couche d’alumine, des fissures orient´ees perpendiculairement `a l’interface (cercle B). Ces fissures se sont proba- blement form´ees lors de la pr´eparation des lames au FIB, n´eanmoins, il est impossible d’affirmer que ces fissures n’´etaient pas pr´esentes avant la d´ecoupe.

Analyse en ´energie filtr´ee

Grˆace `a l’EFTEM, il est possible de r´ealiser une cartographie chimique des ´el´ements pr´esents au niveau de l’interface fer/alumine. Malheureusement, seuls le fer et l’oxyg`ene ont pu ˆetre cartographi´es du fait de la pr´esence de fer dans le revˆetement. En effet, les seuils de pertes d’´energies de l’aluminium (L2,3 `a 72,7 eV et L1 `a 117,8 eV ), accessibles

III.1.3. Conclusions

avec le d´etecteur utilis´e lors de ce travail, sont perturb´es par les seuils M2,3 (52,7 eV ) et

M1 (91,4 eV ) du fer lors de l’application de la m´ethode des trois fenˆetres.

La figure III.11-a pr´esente une image en champ sombre de l’interface fer/alumine. Les figures III.11-b et c, effectu´ees dans cette mˆeme zone, pr´esentent respectivement les cartographies chimiques du fer et de l’oxyg`ene.

(a) Image haute r´esolution de la zone cartographi´ee.

(b) Cartographie chimique du fer.

(c) Cartographie chimique de l’oxyg`ene.

Figure III.11: Image en champ sombre (a) et cartographies chimiques en ´energie filtr´ee du fer (b) et de l’oxyg`ene (c) r´ealis´ees au niveau de l’interface fer/alumine.

La figure III.11-b confirme bien la pr´esence de fer au sein de la couche d’alumine. La figure III.11-c montre, quant `a elle, qu’il n’y a pas d’oxyg`ene dans la zone de fer (3) ce qui indique que le fer pr´esent dans cette zone n’est pas oxyd´e.

III.1.3

Conclusions

Les observations MEB ainsi que les analyses granulom´etriques ont permis de montrer que la morphologie de la poudre de fer a ´evolu´e au cours du pr´e-traitement de m´ecano- fusion. En effet, la poudre de fer initialement sous forme d’agglom´erats irr´eguliers s’est transform´ee en agglom´erats `a surface lisse et aux formes plus sph´eriques. De plus, cer- tains agglom´erats ont ´et´e bris´es, conduisant `a la formation de fines particules de fer. La distribution en taille de la poudre de fer est donc moins large apr`es le pr´e-traitement

La DRX confirme bien la pr´esence de fer et d’alumine ; aucun autre ´el´ement ou com- pos´e chimique n’est d´etect´e, dans la limite de d´etection des rayons X.

Les observations MEB et les analyses EDXS ont montr´e que les particules de fer sont recouvertes d’une couche d’alumine discontinue d’´epaisseur variable allant de 0 `a 10 µm.

III.1. Caract´erisation microstructurale et chimique des particules de fer revˆetues d’alumine

De plus, les cartographies chimiques des ´el´ements indiquent la pr´esence de fer au sein de la couche d’alumine.

La spectrom´etrie M¨ossbauer montre que la poudre de fer m´ecanofus´ee 2 heures ne s’est pas oxyd´ee alors que les particules de fer revˆetues d’alumine contiennent un oxyde de fer pr´esentant des propri´et´es superparamagn´etiques.

Les analyses XPS ont mis en ´evidence la pr´esence d’alumine (75 %at) et d’h´ematite (25 %at) `a la surface des particules revˆetues.

Les observations r´ealis´ees par MET r´ev`elent l’existence de porosit´es et de fissures dans le revˆetement d’alumine. Enfin, l’EFTEM a permis de mettre en ´evidence la pr´esence de fer dans la couche d’alumine.

Ces r´esultats permettent donc de dire que le revˆetement d’alumine contient de l’h´e- matite pr´esente sous forme de grains nanom´etriques.

La pr´esence d’h´ematite au sein du revˆetement peut s’expliquer simplement :

1. Lors du pr´e-traitement de m´ecanofusion il y formation de petites particules de fer (fractionnement des agglom´erats + broyage),

2. Ces petites particules de fer sont ”pi´eg´ees” dans le revˆetement d’alumine lors de sa formation par m´ecanofusion,

3. L’oxydation de ces particules intervient tr`es certainement lors du traitement de m´ecanofusion, du fait de leur faible taille et de l’augmentation de temp´erature au sein du r´eacteur En effet, l’ajout de la poudre d’alumine entraˆıne une augmentation de volume dans l’enceinte, et par cons´equent un accroissement du travail fourni par les pi`eces internes ; accroissement du travail qui se traduit par une ´el´evation de la temp´erature dans le r´eacteur.

L’oxydation des petites particules de fer se produit vraisemblablement apr`es le pr´e- traitement puisque les analyses M¨ossbauer ont montr´e que les particules de fer ne sont pas oxyd´ees apr`es les 2 heures de pr´e-traitement.