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Chapitre 3 RŽsultats expŽrimentaux

3.3.3 CaractŽrisation de lՎchantillon

3.3.3.1 Analyse Raman

Des analyses Raman de lՎchantillon ont ŽtŽ faites en utilisant un spectromtre muni dÕun laser He-Ne de longueur dÕonde 633 nm. Une description dŽtaillŽe de cette technique est donnŽe dans le chapitre 2, partie 2.2. Pour chaque Žchantillon, nous observons un nombre important de pics qui ne peuvent pas tre attribuŽ ˆ des phases ou des composŽs Zr-N ou Hf-N dŽjˆ connus (figure 3.21). Ainsi, les mononitrures ont deux bandes extrmement faibles : une autour de 200 cm-1 et une vers 550 cm-1 [Chen, 2004] que nous nÕobservons pas en utilisant notre systme de spectroscopie Raman. Aucun des pics de Zr7N9 ne correspondent ˆ c-Zr3N4

(figure 3.21, graphique A). De mme, aucun des pics de Hf7N9 ne correspondent ˆ c-Hf3N4

(figure 3.21, graphique B). Nous ne pouvons cependant pas exclure la formation de o-Zr3N4 et de son Žquivalent o-Hf3N4 parce que leurs spectres Raman nÕont pas ŽtŽ rapportŽs dans la littŽrature.

400 600 800 1000 1000 2000 3000 4000 5000 A nouveau nitrure de zirconium c-Zr3N4 2 4 3 2 5 6 6 3 0 4 5 5 5 2 9 4 1 1 3 8 1 3 2 7 In te n si r e la tiv e ( u .a .)

nombre d'onde relatif (cm-1)

400 600 800 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 B nouveau nitrure d'hafnium c-Hf 3N 4 In te n si r e la tiv e ( u .a .)

Nombre d'onde relatif (cm-1 ) 6 7 7 5 4 7 4 7 1 4 2 0 3 0 6 2 5 4

Figure 3.21 : Graphiques reprŽsentants les spectres Raman A : du nouveau nitrure de zirconium, Zr7N9, et B : du nouveau nitrure dÕhafnium, Hf7N9, comparŽs avec ceux de c-Zr3N4 et de c-Hf3N4 respectivement, mesurŽs pour cette thse.

LÕexamen par spectroscopie Raman suggre donc que nous avons obtenu deux nouveaux nitrures de ces mŽtaux de transition. Le nombre de pics nous indique quÕil y a de nombreux modes de vibrations dans chacun des deux nitrures, ce qui signifie une structure cristalline avec une symŽtrie relativement basse. Cette observation corrobore lÕanalyse RX prŽsentŽe ci-dessus (chapitre 3.3.2). Pour rŽaliser une Žtude plus poussŽe des vibrations observŽes, il faudrait conna”tre la structure cristalline, faire une analyse des modes actifs Raman par la thŽorie des groupes et mesurer les spectres sur un monocristal et la rŽponse en fonction de la variabilitŽ de la polarisabilitŽ du milieu. Le fait que les deux composŽs prŽsentent un spectre Raman est une bonne indication que les composŽs ont un centre de symŽtrie. Enfin, la similaritŽ de la position des pics dans les spectres Raman des deux composŽs suggre des structures cristallines identiques. Nous observons un pic principal ˆ environ 650 cm-1, un trio de pic entre 410 cm-1 et 550 cm-1 ainsi que des pics autour de 250 cm-1 qui ont une intensitŽ plus grande dans le cas de Zr7N9. Le nouveau nitrure de zirconium possde Žgalement un pic ˆ 327 cm-1 qui pourrait correspondre au pic ˆ 306 cm-1 de Hf7N9 bien que ce dernier soit dÕintensitŽ plus faible.

En rŽsumŽ, lÕensemble des donnŽes (composition chimique, diagramme de diffraction RX et spectre Raman) justifie lÕexistence dÕune phase unique dans ces deux composŽs avec une substitution partielle de N par O. Comme nous lÕavons dit, il y a peu de preuves tangibles de lÕexistence dÕune seconde phase contaminant les nouveaux composŽs.

3.3.3.2 Observation de la porositŽ et de lÕhabitus des cristaux

Les premires images MEB de la surface polie mŽcaniquement du nouveau nitrure de zirconium nous ont permis de dŽterminer que lՎchantillon possde une certaine porositŽ, non rŽpartie de manire isotrope, comme nous le voyons sur lÕimage 3.22. La porositŽ (valeur, distribution) est traitŽe dans la partie 3.3.4.

Figure 3.22 : Image MEB de la surface polie mŽcaniquement de Zr7N9, on observe une zone trs poreuse dans laquelle une indentation (charge 500mN) a ŽtŽ faite et une zone qui lÕest beaucoup moins .

Dans la partie de lՎchantillon o un fragment a ŽtŽ prŽlevŽ pour les mesures de diffraction RX, nous avons pu observer lÕhabitus des cristaux. Ils ont une forme allongŽe avec un rapport dÕaspect ŽlevŽ, certains grains de la figure ont une forme rappelant la forme en whiskers des cristaux de %-Ta2N3 (chapitre 1.1.4.2 et figure 1.18). Ces grains ont une longueur moyenne de 500 nm. Le diamtre est significativement plus petit, <50 % de la longueur. Ceci suggre une symŽtrie basse des cristaux, confirmŽ par ailleurs par la diffraction RX (voir ci-dessus, 3.2.2) qui montre que nous avons une structure monoclinique avec les longueurs des paramtres de maille a et c similaires et grandes devant b.

Figure 3.23 : Image MEB dÕun dŽtail de lՎchantillon Zr7N9 ˆ lÕintŽrieur de la surface fracturŽe figurŽe par une flche sur lÕimage de la figure 3.15.

LՎchantillon Hf7N9, poli mŽcaniquement, a aussi prŽsentŽ ds le dŽbut des Ç zones È de diffŽrentes luminositŽs (figures 3.15 ˆ droite et 3.24). La diffŽrence que nous observons dans les images MEB entre les zones ne peut pas tre considŽrŽe comme une preuve de lÕexistence de deux phases dans lՎchantillon. Les deux images de la figure 3.24, prises ˆ deux diffŽrentes places avec un petit agrandissement, montrent, comme pour lՎchantillon Zr7N9, que la porositŽ nÕest pas la mme en tout point de lՎchantillon. Sur la figure 3.25, on peut voir que la porositŽ nÕest effectivement pas rŽpartie de faon isotrope dans lՎchantillon, mme ˆ lՎchelle submicromŽtrique.

Nous avons observŽ, pour Hf7N9, aprs un polissage mŽcanique une zone plus poreuse avec la valeur de la fraction du volume poreux (VFP) p Žgale ˆ 0.09 et une zone lisse o p = 0.015 (figure 3.24, ˆ gauche). LorsquÕon examine lՎchantillon a un plus grand agrandissement (figure 3.25), nous constatons que de petites parts de lՎchantillon sont presque compltement densifiŽes et se retrouvent ŽparpillŽes sur toute la surface de lՎchantillon, mais le plus souvent dans la partie lisse.

Figure 3.24 : Images MEB de Hf7N9 proches dÕindentations de Vickers (diffŽrentes charges : ˆ gauche 2000mN, ˆ droite 500 mN), on observe la frontire entre une zone poreuse et une zone moins poreuse dans lՎchantillon.

Figure 3.25 : Images MEB de Hf7N9 prises avec un plus grand agrandissement : On peut constater diffŽrentes porositŽs et, possiblement, phases dans le mme Žchantillon. Pour lÕimage de droite, la mesure de la VFP donne p = 0.12.

3.3.3.3 Observation de la propriŽtŽ de Ç self-healing È

Pendant la prŽparation par polissage mŽcanique et traitement par faisceau dÕions Ar+, nous observons que Zr7N9 prŽsentent un comportement Òself-healingÓ : nous avons reconnu quÕaprs un polissage mŽcanique (figure 3.26 A et C), les petits pores ˆ la surface, dÕune taille infŽrieure ˆ 200 nm, se referment (figure 3.26 D). Le traitement par faisceau dÕions Ar+, dŽcrit dans la partie 2, permet de rŽvŽler de tels pores suggŽrant ainsi que cette propriŽtŽ de Òself-healingÓ existe pour ce matŽriau comme confirmŽ prŽcŽdemment pour %-Ta2N3 (voir partie 3.2.2).

Figure 3.26 : Images MEB de lՎtat de la surface de lՎchantillon de zirconium, Zr7N9. Nous voyons une indentation qui a ŽtŽ faite aprs polissage mŽcanique (A), puis la mme indentation aprs le traitement par faisceau dÕions Ar+ (B). C et D sont des agrandissements des zones figurŽes par les rectangles dans A et B respectivement. Les images avec le plus grand agrandissement sont prises dans la mme zone de lՎchantillon qui est tournŽ entre A et B.

Dans le cas du nitrure dÕhafnium, Hf7N9, la propriŽtŽ de self-healing nÕest pas clairement observŽe. En effet, comme vu dans la figure 3.24, la porositŽ varie spatialement dans lՎchantillon. Aprs le traitement par faisceau dÕions Ar+, nous remarquons effectivement que les pores sont rŽvŽlŽs sur toute la surface, mais nous manquons de prŽcisions pour affirmer que la porositŽ a augmentŽ sur toute la surface de lՎchantillon. Nous pouvons supposer un

D C

B A

certain degrŽ de self-healing du matŽriau, notamment parce que la figure 3.27 A est une image MEB prise dans une zone o la porositŽ Žtait peu importante avant le traitement par faisceau dÕions Ar+ (zone similaire ˆ celle montrŽe dans la figure 3.27 B).

Figure 3.27 : Images MEB de la surface de de Hf7N9. Pour lÕimage A, aprs traitement par ions Ar+, une zone poreuse p = 0.12, lÕimage B la surface polie mŽcaniquement p = 0.045.