Caractérisation structurale

Une observation de la surface des particules, des composites et des résidus de combustion peut donner des indices quant aux phénomènes ayant eu lieu lors de la combustion, ou encore sur l’influence de la présence de tel ou tel composé, et ce d’un point de vue structural. Une des méthodes permettant d’obtenir une image d’une bonne qualité, bien résolue et avec un grandissement assez important est la technique de microscopie électronique à balayage.

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2.1 Principe de microscopie électronique à balayage (MEB)

Un faisceau focalisé d’électrons, monocinétique, balais la surface d’un échantillon où se produisent des interactions détectées par un capteur. Ce capteur contrôle la brillance d’un oscilloscope cathodique, dont le balayage est synchronisé avec celui du faisceau d’électrons.

Les électrons sont émis par un canon (émission par effet de champ ou filament de tungstène avec

pointe LaB6). Un wehnelt est placé juste après la cathode, afin de régler l’intensité du faisceau

d’électrons. Différentes bobines, ou lentilles électromagnétiques, placées le long du trajet du faisceau permettent le balayage de la surface de l’échantillon en influant sur le trajet du faisceau.

-un condenseur est situé en sortie du canon à électrons, il s’agit en fait d’une bobine permettant de contrôler la densité du faisceau en jouant sur sa divergence. Le condenseur permet d’obtenir le faisceau le plus fin possible, en vue d’atteindre la surface de l’échantillon de la manière la plus ponctuelle envisageable. On parle également de lentille magnétique. -des bobines de déflexion permettent de faire dévier le faisceau de son axe principal pour permettre le balayage complet de la surface étudiée.

-Suite à ces bobines se trouve une autre lentille magnétique, qui a pour but de focaliser le faisceau d’électrons précisément sur la surface de l’échantillon, cherchant l’impact le plus ponctuel possible et donc la meilleure résolution.

-Il est également possible d’ajouter une bobine hexa- ou octopolaire afin de corriger le phénomène d’astigmatisme, une interférence pouvant pénaliser l’image finale.

Afin d’être analysé, l’échantillon doit également répondre à certains critères ou subir une préparation particulière en vue de pouvoir être examiné. Le support de l’échantillon est une platine micrométrique eucentrique (éventuellement motorisée) permettant des déplacements en x, y et z. Dans le cadre de l’analyse par le biais de microscope plus conventionnels, les échantillons hydratés, huileux ou isolants ne peuvent pas être étudiés, il est donc nécessaire de les sécher ou de les rendre conducteurs, le cas échéant.

Le principe d’action du MEB, se base sur une interaction électron-matière, ce qui conduit forcément à des accumulations de charges à la surface de l’échantillon. Un matériau conducteur peut évacuer ces charges vers la masse et l’observation est donc possible, mais dans le cas d’un isolant, l’accumulation des charges n’est pas évitée, ce qui déforme le faisceau d’électrons et modifie son énergie effective. Pour l’analyse de matériaux isolants, il est donc nécessaire de déposer une couche-mince de métallisation à la surface (or, or-palladium, carbone). La métallisation se fait par migration ionique entre une cathode, composée du matériau à déposer, et l’échantillon situé à l’anode.

Il est cependant possible d’observer des échantillons isolants sans les métalliser en travaillant à très basse tension (maximum 3 kV), mais dans ce cas, la résolution est relativement médiocre et la gamme de grossissement est limitée [171][172]. La Figure B-17 présente le schéma de principe d’un MEB. Le modèle utilisé est un Quanta FEG 200 (FEI).

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Figure B-17 : Schéma de principe du MEB 2.2 Principe des interactions électron-matière

Il s’agit du principe fondamental permettant l’analyse d’un échantillon solide par la méthode du MEB, et correspond aux réactions produites par la surface du composé suite à l’impact du faisceau d’électrons. Ces réactions sont principalement des émissions qui peuvent être d’électrons (plusieurs natures), de fluorescence X ou encore de RX, en fonction de la profondeur de pénétration du faisceau d’électrons incident (principe de la poire d’interactions). La taille de la poire correspond à la limite de pénétration des électrons et possède, habituellement, une profondeur d’environ 5 µm à partir de la surface (valeur pour une tension d’accélération de 20 kV). La Figure B-18 présente les différentes interactions électron-matière.

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D’après le schéma précédent, il existe cinq interactions principales électron-matière : -les électrons rétrodiffusés

-les électrons secondaires -les électrons Auger -les photons X -les photons visibles

Ces dernières proviennent d’interactions de natures variées et conduisent à l’obtention d’images démontrant des propriétés différentes.

L’interaction la plus étudiée dans une étude MEB est celle correspondant à l’émission d’électrons secondaires (SEI : secondary electron image). Les électrons secondaires (d’énergie d’environ quelques dizaines d’eV) émis en chaque point sous l’impact du faisceau sont collectés sur un scintillateur produisant un signal de photons caractéristique de l’électron secondaire.

Le rendement d’émission des électrons secondaires (produits sur une profondeur inférieure à 5 nm) est faiblement fonction du numéro atomique des atomes constitutifs de l’échantillon, mais dépend surtout de l’angle entre le faisceau incident et la surface analysée (et donc de l’angle de l’électron émis). Au final, l’image obtenue en SEI est représentative de la topographie de l’échantillon et permet d’atteindre des résolutions de l’ordre de quelques nm.

Un autre type d’image peut être obtenue par analyse MEB, en prenant en compte les électrons rétrodiffusés (BEI : backscattered electron image). Ce que l’on observe en SEI est en fait une série de changements de pente au niveau de l’échantillon, et il est donc difficile dans ces conditions de différencier un relief ou un creux. Cependant, l’échantillon émet aussi des électrons rétrodiffusés, dont l’énergie est du même ordre de grandeur que celle des électrons incidents.

Ces deux types d’images sont les plus employés. Le SEI donne principalement des informations topographiques tandis que le BEI permet d’obtenir des images topographiques (de qualité moindre) mais avec quelques informations chimiques. La deuxième méthode est cependant moins utilisée. Les appareillages récents peuvent palier le côté restreint par rapport à la nature des échantillons analysés (secs, métallisés…) par la méthode de microscopie environnementale.

L’intérêt de cet appareil est qu’il permet de travailler à des pressions suffisamment hautes pour pouvoir maintenir les échantillons hydratés dans la chambre d’observation, soit jusqu’à une pression de l’ordre de 13 mbars (1300 Pa). Ceci permet donc d’observer les échantillons sans préparation préalable, et permettrait même d’effectuer des observations lors de changements dynamiques du produit étudié.

L’appareil disponible au laboratoire (Quanta FEG 200) dispose également de plusieurs modules, dont une platine chauffante, permettant d’observer de échantillons jusqu’à des températures proches de 1000 °C. Ceci sera utile, entre autre, pour étudier le comportement des charges de vitrification [171][172].

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2.3 Microscopie optique

Un microscope optique est un système composé de deux groupes de lentilles, l’objectif et l’oculaire et permettant d’obtenir des images d’échantillons, à des grossissements de l’ordre de la centaine de fois. Il s’agit d’une technique simple, qui a été utilisée afin d’observer des structures formées lors de la mise en place de l’effet barrière ou encore de la répartition des charges de vitrification après des essais au feu.

Les observations ont été réalisées grâce à un microscope Leica WILD M 10, associé à une caméra Leica DFC 420, permettant d’observer les images par le biais de l’écran d’ordinateur. Les différentes structures ont été principalement observées à un grossissement x10.