1.2 – Contraintes thermiques

Fig. IV.16 représente la variation des contraintes thermiques transversal σx développées en

surface en fonction de la puissance laser pour les deux processus de traitement. On déduit une relation directe entre les contraintes de tension développées dans la zone traitée par laser pendant le refroidissement et la puissance du laser. On observe une augmentation des contraintes avec l'augmentation de la puissance. Dans le cas de traitement par laser seul et lorsque la puissance du laser est supérieur de 900 W, les contraintes développées à la surface sont supérieur que la résistance de rupture de l’alumine (220 MPa). Pour des puissances inferieurs à 900 W, l'aire de la zone fondu est très petite, approximativement nulle dans le cas du laser seul. Pour augmenter l'aire de la zone fondue, il faut augmenter la puissance du laser, mais les contraintes thermiques vont aussi augmenter et dépassent la résistance de rupture de céramique et par conséquent la fracture du matériau. Dans le cas du traitement par hybridation, les contraintes sont inferieurs à la résistance de rupture jusqu’à une puissance laser de 1300 W. L’hybridation permet d’obtenir des larges zones traitées sans rupture de la céramique.

139 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0 100 200 300 400 500 600 700 800 C on tr a in te t h er m iq ue x ( M p a ) Puissance laser (W) laser seul laser+micro-ondes Tension de rupture

Fig. IV.16 - Evolution de contrainte thermique σx en fonction de puissance laser pour laser seul et hybridation.

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0 50 100 150 200 250 300 C o nt ra in te th e rm iq u e z ( M P a) Puissance laser (W) laser seul laser+micro-ondes Tension de rupture

Fig. IV.17 - Evolution de contrainte thermique σz en fonction de

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Pour le processus de traitement par laser seul, la fracture du céramique suivant la profondeur du matériau se produit lorsque les contraintes dépassent la résistance de rupture qui correspond à la puissance laser 1350 W, mais on n'oublié pas que lorsque on dépasse 900 W des fractures seront développées suivant les axe-x et y car les contraintes thermique transversal σx seront

supérieur que la résistance de rupture. Dans le cas du traitement par hybridation, les contraintes développées en profondeur de la zone traitée sont inferieur à la résistance de rupture quelque soit la puissance laser entre 800 W et 1400 W (Fig. IV.17).

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 A ir e (m m 2 ) Puissance laser (W) laser seul laser+micro-ondes

Fig. IV.18 - Evolution l'aire de la zone fondue dans le plan (y-z) en fonction de puissance laser pour laser seul et hybridation.

L'aire de la zone fondue augmente avec la puissance du laser dans les deus processus de traitement. Dans le cas de l'hybridation l'aire est supérieure trois fois que celle obtenue par laser seul. La méthode de l'hybridation économise le temps et l'énergie pour traiter des aires plus grandes (Fig. IV.18). La vitesse de balayage du laser suivant l’axe x permet d’étendre cette surface à un volume plus ou moins important.

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Références

[1] K. Bougrin, H. El Rhaleb, "Laser-Microwave in Chemistry", Chapitre du livre "Lasers in Chemistry: Probing and Influencing Matter" édité par Maximilian Lackner en 2008, Edition Wiley-VCH.

[2] M. Belcadi, H. El Rhaleb, K. Gueraoui, M. Driouich. ''Combined process: laser assisted microwave sintering of alumina''. International Review of Mechanical Engineering (IREME), vol.7, N. 7, 1451-1457 (2013).

[3] M. Belcadi, H. El Rhaleb, K. Gueraoui, M. Driouich, ''Hybridization Microwave and Laser for Melting of Ceramic Surface'', Adv. Studies Theor. Phys., Vol. 8, 2014, No. 3, 131 - 142

[4] M. Belcadi, H. El Rhaleb, K. Gueraoui, ''Numerical simulation of microwave assisted laser melting alumina'', accepted in International Review of Mechanical Engineering (IREME).

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Etant donné le prix des matières premières et de l’énergie, les innovations concernant la synthèse de matériaux doivent répondre à des contraintes économiques et écologiques fortes et constituent donc un domaine de recherche très vaste.

Cette thèse s’inscrit dans une volonté de modéliser de manière générale les potentialités de la combinaison du laser et les micro-ondes pour la transformation des matériaux en suivant le comportement thermique et microstructurale en vue de propriétés optimales.

Dans le premier chapitre, après une bibliographie souffrant du manque de références dans le domaine, nous avons développé l’interaction rayonnement matière dont le contrôle et la maitrise peut être effectuée en adaptant de multiples facteurs souvent liés (temps, température, puissance, géométrie, environnement). La maitrise de ce processus ouvre la voie à d’innombrables applications potentielles lors de la combinaison du laser et des micro-ondes. Nous avons explicité dans ce chapitre les mécanismes du frittage et la transformation de surface de l’alumine.

Dans le deuxième et troisième chapitre nous avons présenté respectivement la formulation mathématique et le code numériques sous Fortran qui permettent de résoudre les équations régissant les phénomènes mis en jeu lors du frittage ou le traitement de surface de l’alumine. Les résultats de notre code numérique pour les deux différents problèmes, sont présentés en chapitre quatre. Le gain environnemental lié à l’utilisation des micro-ondes est systématiquement important du fait des faibles puissances et des temps de traitement très courts.

Nous avons démontrés que la méthode de l'hybridation laser/micro-ondes est plus efficace pour le traitement du matériau alumine car elle minimise le temps de l'opération, économise l'énergie, réduit les gradients de température dans l’échantillon pour on obtient à la fin un matériau mieux densifié avec des tailles des grains plus petites, dur et sans fissure sur des surfaces et profondeurs plus importante.

Les résultats obtenus au cours de ce travail sont encourageants et peuvent encore être optimisés compte tenu du grand nombre de paramètres expérimentaux (puissance mises en jeux, vitesse de balayage, dimensions de l’échantillon, différentes tailles de grains initiales, mélange de poudre,…) sur lesquels on peut agir.

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Enfin, les deux exemples de traitement de matériaux étudiés ici démontrent le potentiel industriel de cette technologie. La technique de combinaison de laser/micro-ondes peut être exploitée quand c’est possible à l’ensemble des applications de la Fig. I.10 qu’il faut alors repenser.

L’hybridation peut être étendue généralement à d’autres applications durant lesquelles un rayonnement peut profiter de l’apport de l’autre simultanément ou en différé.

Perspectives

Les paramètres régissant l’interaction rayonnement-matière sont nombreux. Les effets produits dépendent :

 de la source de rayonnement (longueur d’onde, temps d’interaction, densité de puissance délivrée) ;

 du matériau : nature (métal, semi-conducteur, diélectrique), phase (solide, liquide ou gazeuse), propriétés physiques (optiques, thermiques), état de surface (nature chimique, rugosité)] ;

 de l’environnement (nature et pression de l’atmosphère de traitement).

Etendre le travail à d’autres lasers en combinaison avec d’autres fréquences micro-ondes pour réaliser d’autres traitements :

 Création des micro-conduits dans du verre pour des applications en biotechnologie ;

 Etendre le processus de combinaison à la découpe, soudage, ou n’importe quel processus de la Fig. I.9.

 Frittage avec control plus rigoureux des tailles de grains pour quelles restent inférieurs à 100 nm en vue de produire des microstructures particulières et ouvrir ainsi des prospections en nanotechnologie.

 Présentation des résultats en 3 dimensions pour une meilleure analyse et traitement des cas.