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Chapitre 2 MŽthodes expŽrimentales

2.1 Synthse des Žchantillons, sous presse multi-enclumes

2.1.2 PrŽparation de lÕassemblage pour une synthse HP-HT

2.1.2.1 PrŽparation du second Žtage de lÕenclume

Comme nous lÕavons dŽjˆ mentionnŽ ci-dessus, lՎchantillon ayant une forme cylindrique sera placŽ dans la partie centrale de lÕoctadre en cŽramique MgO, lui-mme compressŽ entre les 8 cubes WC tronquŽs. Cette gŽomŽtrie permet une transmission homogne de la pression ˆ lÕintŽrieur de lՎchantillon. Outre lՎchantillon, lÕoctadre contient un micro four semi

conducteur en chromite LaCrO3, permettant de chauffer lÕensemble de lÕoctadre.

lÕassemblage sont (de bas en haut dans la figure 2.3) : une Žlectrode en molybdne, un isolant en MgO, puis (aprs lՎchantillon) une partie isolante contenant le thermocouple et enfin une seconde pastille en Mo, laissant passer le thermocouple. Avant de les installer, toutes les parties en cŽramique ont ŽtŽ sŽchŽes par chauffage ˆ 1000¡C pendant 3h.

Figure 2.3 : Coupe transversale de lÕoctadre reprŽsentant les ŽlŽments contenus ˆ lÕintŽrieur de celui-ci. Sur les deux photos : les cubes en carbure de tungstne, isolŽs les uns des autres, en marron lÕisolant est du tŽflon, en jaune lÕisolant est du carton. A gauche les troncatures sont visibles, ˆ droite lÕoctadre, reprŽsentŽ en coupe au dessus, a ŽtŽ installŽ.

La construction finale de lÕassemblage est telle que lÕunique contact entre les fils du thermocouple est fait ˆ c™tŽ de lՎchantillon (elle exclue tout contact Žlectrique aprs, voir figure 2.3) et que la destruction des fils du thermocouple lorsquÕils sortent de lÕoctadre en passant entre les cubes WC (pour tre ensuite rŽcupŽrŽ entre les sommets cubiques de la presse MA) est empchŽe (tout du moins ŽvitŽe au maximum). Sur chaque troncature correspondant avec une face de lÕoctadre, on pose des joints en pyrophillite (milieu transmetteur isolant) qui permettent ˆ la fois dՎviter un contact direct entre les cubes WC durs (ce qui pourrait causer leur dŽfaillance lors de la charge) et de remplir lÕespace entre les cubes pendant lÕapplication de la charge sur lÕassemblage. Ceci assure aussi lÕisolation

Žlectrique de chaque cube par rapport ˆ ses voisins, isolation renforcŽe par lÕutilisation dÕisolant sur les faces internes des cubes WC et de plaque dՎpoxy pour les faces extŽrieures des cubes WC (voir photos de la figure 2.3). Comme nous le voyons sur le schŽma et les photos prŽsentŽs dans la figure 2.3, le four en chromite dans lÕoctadre (en jaune sur le schŽma) est isolŽ Žlectriquement du reste de lÕassemblage notamment de la capsule mŽtallique

de lՎchantillon et des fils du thermocouple. Les deux pastilles de molybdne assurent le

passage du courant Žlectrique dans le four. A lÕextŽrieur de ce ÔgrandÕ cube formŽ des 8 cubes WC, on fixe 6 plaques dՎpoxy qui lÕisolent des enclumes de la presse. Sur deux des plaques dՎpoxy, au niveau des deux cubes WC dont les troncatures correspondent aux pastilles Mo en contact avec le four, on installe des Žlectrodes en cuivre, ˆ lÕopposŽ lÕune de lÕautre. Le courant Žlectrique circule dÕune Žlectrode de cuivre ˆ lÕautre, en passant par deux cubes WC opposŽs qui font face aux pastilles de molybdne. Ceci permet de faire circuler un courant Žlectrique dans le four en chromite et donc de chauffer lՎchantillon ˆ hautes pressions.

Figure 2.4 : Photographie de lÕassemblage cubique, prt ˆ tre installŽ dans la presse MA. Sur la gauche de la face supŽrieure, on voit lՎlectrode de cuivre et ˆ droite, sortant de lÕintŽrieur de lÕassemblage, on distingue le fil W26Re du thermocouple, repŽrŽ par le numŽro 26 inscrit sur la face supŽrieure.

2.1.2.2 PrŽparation de lՎchantillon

Dans nos expŽriences, le matŽriau de dŽpart, la poudre nanocristalline (n-Zr3N4+x, n-Hf3N4+x),

est compactŽ dans une capsule en platine dÕune longueur de 4 mm et de diamtre 1 mm. La capsule est fermŽe en soudant pour le bas et en pliant les bords, aprs lÕavoir rempli, pour le haut. La capsule en platine, qui ne rŽagit pas avec lՎchantillon, est utilisŽe pour limiter lÕapport dÕoxygne, provenant des matŽriaux alentour, dans lՎchantillon. En effet, lÕisolant MgO et le four entourant la capsule contiennent de lÕoxygne et lorsque lÕassemblage est chauffŽ (voir la figure 2.3), la diffusion de lÕoxygne de ces parties de lÕassemblage vers la capsule et son intŽrieur est favorisŽe par la tempŽrature. CÕest pourquoi dans nos expŽriences,

le systme nÕest pas chauffŽ pendant de longues pŽriodes (pour nos expŽriences, 20 minutes

de chauffage) dans le but dՎviter, ou au moins de rŽduire, lÕoxydation et une possible

formation de composŽs contaminants. Il a par exemple ŽtŽ reportŽ, dans des expŽriences de synthse similaires, que lÕoxygne se substitue ˆ lÕazote dans les composŽs ˆ base de

zirconium (existence de la phase c-Zr3(N1-yOy)4), mais forme une seconde phase oxyde dans

le cas des composŽs ˆ base dÕhafnium (phase Hf(NyO1-y)2).

2.1.2.3 Thermocouple

Le thermocouple utilisŽ dans nos travaux est constituŽ de deux fils : W26Re et W5Re, soit des

alliages de tungstne avec 26% et 5% de rhŽnium, respectivement. DÕaprs Asamato et al., ce

thermocouple est non seulement adaptŽ ˆ de hautes tempŽratures, jusquՈ 3000¡C (la tempŽrature de fusion Žtant au dessus de ce point), mais est de plus stable mŽcaniquement [Asamoto, 1967] : ce rŽsultat est corroborŽ par un changement de moins de 2% des valeurs de la diffŽrence de potentiel entre les deux fils mesurŽes ˆ trs hautes tempŽrature pendant plus de 15 heures. Cependant, ils doivent tre protŽgŽ de lÕoxygne et de lÕeau ˆ hautes tempŽratures. Connaissant les caractŽristiques du thermocouple ˆ pression atmosphŽrique, on peut calculer la tempŽrature du systme. Durant cette thse, nous nÕavons pas pris en compte la dŽpendance en pression de la force Žlectromotrice qui est pourtant connue pour tre

significative [Bundy, 1961 ; Nishihara, 2006].

2.1.3 DŽroulement de la synthse HP-HT

2.1.3.1 Synthse

Comme prŽcisŽ dans le chapitre 1, les hautes pressions permettent de synthŽtiser de nouveaux matŽriaux cŽramiques, le plus souvent denses. A hautes pressions, les hautes tempŽratures aident ˆ la synthse des nitrures covalents puisquÕelles permettent de dŽpasser les barrires cinŽtiques et dÕaccŽlŽrer les transitions de phases ou les rŽactions chimiques ˆ des vitesses plus importantes. CÕest pourquoi nous avons besoin ˆ la fois de hautes pressions et de hautes tempŽratures. De plus, le fait dÕutiliser une poudre nanocristalline comme matŽriau de dŽpart diminue les valeurs de pression et tempŽrature lors la synthse HP-HT. LÕassemblage avec

tempŽrature dans le systme, en vŽrifiant que ces fils sont isolŽs Žlectriquement de la presse.

Cette presse hydraulique permet de gŽnŽrer une charge maximale de 1500 tonnes. Pour

chaque taille de troncatures des cubes WC, la calibration peut tre Žtablit en utilisant des

transitions de phases connues [Walter, 1995 ; Ito, 2007] ce qui permet dÕobtenir lՎquivalence entre la pression de lÕhuile dans le vŽrin et la pression voulue dans lՎchantillon. Une telle calibration donne pour chaque appareil un Žtalonnage unique, dŽpendant notamment de la gŽomŽtrie du vŽrin de la presse. Ici, les 120 bars de pression dans le vŽrin demandŽs correspondent ˆ la pression de 5 GPa voulue dans lՎchantillon, pour une troncature des cubes WC de 11mm. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 20 40 60 80 100 120 Pr e ss io n a p p liq u Ž e ( b a r) temps (heure)

Figure 2.5 : Profil dÕune expŽrience de synthse HP-HT : la pression dans le vŽrin de la presse appliquŽe en fonction du temps. Le point noir indique la pŽriode de temps o lՎchantillon a ŽtŽ chauffŽ ˆ une tempŽrature de 1500¡C.

Le profil de pression dans le vŽrin suivi durant lÕexpŽrience est donnŽ par la figure 2.5. Il est

le mme pour les deux synthses prŽsentŽes dans la partie 3.3 de cette thse. La pression de 5 GPa dans lՎchantillon (soit 120 bars de pression dans le vŽrin) est maintenue pendant 3

heures durant lesquelles on monte lՎchantillon ˆ 1500¡C en 15 minutes (100¡C par minute

environ). La tempŽrature est maintenue pendant 20 minutes avant que le chauffage ne soit arrtŽ. La diffusion dans les solides est plus lente ˆ hautes pressions. LՎchantillon est ensuite ramenŽ ˆ une pression normale en 12 heures. Ce temps est nŽcessaire pour permettre de relaxer les contraintes dans les cubes en carbure de tungstne lentement et ainsi dՎviter de les casser.

2.1.3.2 RŽcupŽration de lՎchantillon

Lorsque la synthse est terminŽe, on sort lÕoctadre MgO contenant lՎchantillon de lÕassemblage des cubes en carbure de tungstne. Pour ce faire, on dŽfait lÕassemblage avec

prŽcaution et se protŽgeant les yeux car les cubes WC peuvent se fendre en produisant de petits dŽbris, volant dans toutes les directions. On casse ensuite lÕoctadre MgO avec prŽcaution pour obtenir la capsule intacte.

Figure 2.6 : Les capsules des expŽriences 148 et 149 contenant les produits de la synthse

rŽalisŽe ˆ partir des poudres n-Zr3N4+x et n-Hf3N4+x, respectivement (chapitre 3.3), aprs la

synthse, vu du dessus. La croix est lÕempreinte laissŽe par la jonction du thermocouple. Dans ce travail, les capsules rŽcupŽrŽes aprs la synthse ont ŽtŽ montŽes dans un support cylindrique en molybdne ou en Žpoxy, avant polissage mŽcanique. Chaque support a ses avantages : le molybdne donne un support rigide ˆ lՎchantillon, qui ne contribue pas aux mesures par nanoindentation. CÕest aussi un support conducteur, qui permet de ne pas dŽposer une couche de carbone sur lՎchantillon pour rŽaliser des observations de lՎchantillon par MEB, au contraire de lՎpoxy. Cependant, pour des techniques spŽcifiques comme par exemple lÕEPMA (chapitre 2.2.4), il est nŽcessaire dÕavoir un support dÕune taille et dÕune

forme particulire ce qui peut tre obtenu en utilisant des moules spŽciaux que lÕon remplit

avec de lՎpoxy.