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Aerogels
LES MATERIAUX, OU L’ECART APPARENT A LA PHYSIQUE DU SOLIDE
LES PROPRIETES PHYSIQUES : ROLE DE LA MICROSTRUCTURE
ELABORATION D’UN CŒUR DE PILE À COMBUSTIBLE À OXYDE SOLIDE
Alain Thorel
Ecole des Mines de Paris
COURS « MATERIAUX 2005 »
Les Matériaux Fonctionnels
LES MATERIAUX, OU L’ECART A LA PHYSIQUE DU SOLIDE
Matière…Matériaux…Objets
Physique du solide : cristal parfait infini
(par rapport à la « dimension caractéristique » de la propriété considérée)
Le matériau réel est différent :
monocristaux de grande taille souvent impossibles à faire
le matériau réel est polycristallin
• procédés industriels
• défauts
(le matériau réel peut présenter des « longueurs de cohérence » inférieures à la « dimension caractéristique » de la propriété ;
C’est systématiquement le cas pour les nanométériaux)
S.C. = Single Crystal
Propriétés thermiques
• les matériaux industriels
céramiques et verres
matrice céramique + plastique
matrice plastique + céramique
plastiques
multi- matériaux
plastique + métal métal +
plastique
métaux
matrice métallique + céramique (CMM)
matrice céramique + métal (cermets)
matériaux composites :
(anisotropie contrôlée)
matériaux de fonction :
(métalloïdes [Si], terres rares [Nd])
interactions matériaux/procédés :
(céramiques, composites)
objet A
objet B
objet A objet B
1. composition chimique
2. structure cristallographique 3. microstructure
4. forme
1(A)=1(B)
Propriétés d'un objet, d'un matériau = f(?)
Sur quoi agir pour changer les propriétés d'un objet?
• Science des Matériaux
description sur des bases scientifiques des mécanismes qui expliquent le comportement d'un matériau
établir les relations Propriété = f(1,2,3,4)
pour améliorer les propriétés
pour trouver de nouveaux matériaux
pour trouver de nouvelles applications
pour prédire le comportement
métaux nitrures
verre carbures
kaolin oxydes
feldspath borures
quartz plastiques
objet matières premières naturelles
matières premières
de synthèse
atomes
réseau
grain
microstructure 0,1nm
d=0,2nm
1000nm
Traitement thermique
du nitrure de silicium
Joint de Grains dans un bi-cristal d’aluminium (Microscopie Electronique en Transmission)
On trouve des traces de Cu sur certains plans de joints
Film de CoCrTa déposé à 250°C
(propriétés magnétiques)
matériau
corps non pur mélange non parfaitement homogène
plusieurs phases
≠ propriétés
≠ répartition
A
B T P
X
AxBy répartition
est-il possible de prévoir:
-structure -composition -répartition
?
des phases à l'équilibre T°C
A B
α+β
minimisation de l'enthalpie X%
➜ Les diagrammes de phases
Ex : aciers : Fe-C
γ
α δ
α+ Fe3C
austénite
ferrite
910
phénoménologie de la solidification pour les métaux
A B
T°C
α
α+β Liq α+ Liq Cl
Cs
dT/dt
liq sol
mouvement d'atomes sur de + ou - longues distances
variations de composition - facile dans le liquide - difficile dans le solide
cristallisation
germination - sur impuretés
- sur paroi d'un moule
croissance
DIFFUSION
lacunes
n =N exp (-Q /kT) l l
Nbe de lacunes
Nbe de noeuds du réseau Energie d'activation
Cte Boltzmann
• rôle majeur dans les métaux
• n
• <Q > = 1eV l l
diffusion
interstitiels
• rôle mineur
• n
• distorsions
• sites O et T
• atomes petits
• <Q > = 7eV i i
l
liq=l +l l+
α+β
β α X
Aα E(v=0) X β
Aα β
T
A B
T0
2 1
X
AX
Alpour les métaux :
composition chimique +
traitements thermiques
propriétés mécaniques
pour les céramiques ! ? ? ? :
Les autres propriétés (physiques, ou
fonctionnelles) varient assez peu pour
les métaux)
énergie d'interface
≠
∂ G
∂ A i,j = γ i,j
-rôle sur la précipitation -lamelles eutectiques -joints de grains
________________________________________________
cinétique &
énergie d'interface
mise en oeuvre
matières premières
poudre
frittage chimie des
poudres
mise en forme
• voie sèche
• voie liquide
• voie gazeuse
• voie sèche
• voie liquide
• voie plastique
• autres...
Si F
O C
Al B
Mg
Be N
Les c
Les c é é ramiques : ramiques
mise en forme
P
P
poudre +
liant + ajouts
pressage
# 1t/cm2
dV/V < 0
> 1700 °C
pièce dense
pratiquement aux cotes
on peut suivre l'évolution du frittage par
frittage
T
thermodynamique du frittage P
A(s,s) et A(s,v)
G = G { P, T, ni, A(j,k) }
P(N2) P(O2)
dG = ∂ G
∂ X i
∑ i
Xj
dX i
dG = ∂ G
∂ P
dP + ∂ G
∂ T
dT + ∂ G
∂ n i
∑ i
dn i + ∂ G
∂ A j,k
∑ k
∑ j
dA j,k
T
thermodynamique du frittage P
A(s,s) et A(s,v)
G = G { P, T, ni, A(j,k) }
P(N2) P(O2)
dG = ∂ G
∂ X i
∑ i
Xj
dX i
dG = ∂ G
∂ P
dP + ∂ G
∂ T
dT + ∂ G
∂ n i
∑ i
dn i + ∂ G
∂ A j,k
∑ k
∑ j
dA j,k
dG = VdP − SdT + µ i
∑ i dn i + γ j,k
∑ k
∑ j dA j,k
T
thermodynamique du frittage P
A(s,s) et A(s,v)
G = G { P, T, ni, A(j,k) }
P(N2) P(O2)
dG = ∂ G
∂ X i
∑ i
Xj
dX i
dG = ∂ G
∂ P
dP + ∂ G
∂ T
dT + ∂ G
∂ n i
∑ i
dn i + ∂ G
∂ A j,k
∑ k
∑ j
dA j,k
T
thermodynamique du frittage P
A(s,s) et A(s,v)
G = G { P, T, ni, A(j,k) }
P(N2) P(O2)
dG = ∂ G
∂ X i
∑ i
Xj
dX i
dG = ∂ G
∂ P
dP + ∂ G
∂ T
dT + ∂ G
∂ n i
∑ i
dn i + ∂ G
∂ A j,k
∑ k
∑ j
dA j,k
dG = VdP − SdT + µ i
∑ i dn i + γ j,k
∑ k
∑ j dA j,k
Transfert de matière
1. Diffusion de surface (Surf → Cou) 2. Diffusion dans le réseau (Surf → Cou) 3. Diffusion en phase vapeur (Surf → Cou) 4. Diffusion aux joints (GB → Cou)
5. Diffusion dans le réseau (GB → Cou)
6. Diffusion dans le réseau (Disloc → Cou)
frittage en présence d'une phase liquide
liquide
s,l
s,s
s,v
• Li2O
• Na2O
• K2O
• silicates...
frittage + activation
--> défauts spécifiques des céramiques
en volume
• défauts de compactage
• inclusion
• porosité résiduelle
• phase intergranulaire
• joints de grains (non éliminables)
en surface
• microfissures
• écaillage
• contraintes résiduelles
(éliminables)
début du frittage
Traitement thermique
du nitrure de silicium
ENSMP - MATERIAUX, mai 2005 COURS MATERIAUX FONCTIONNELS
mise en oeuvre d'un matériau
élaboration
produits 1/2 finis ébauche
T.Th de surface usinage
application application
finition céramiques
métaux
céramiques
• elaboration de la pièce finale pratiquement aux côtes
liaisons iono-covalentes fortes propriétés
• liaisons directionnelles: rigidité, dureté
• faible mobilité électronique et ionique
• point de fusion ou de sublimation élevé - pas de diminution de viscosité
• grande stabilité chimique
• maille élémentaire souvent complexe - mobilité nulle des dislocations - pas de déformation plastique
• faible densité
- faible inertie mécanique
• rupture fragile à température ambiante - déformation élastique
• grande résistance à la compression - pas de fluage à temp. amb.
• tenue mécanique indépendante de T
sur un large domaine de température
longueur de cohérence microstructurale
• fréquence de fluctuation de la microstructure
• taille de grains
• distance inter-pores, diamètre des pores
• répartition et dimension des secondes phases
• réseau et taille des microfissures
• étendue des fluctuations de composition ...
ξ
atomes
paramètres du réseau joints de grains
films interfaciaux précipités
points triples taille de grains
phases secondaires étendues pores
fissures
percolation de phases secondaires défaut de compaction
ξ
10 10 10 10
-10
10 10 10 10
-6
-9 -8 -7
-5 -4 -3
MET
MEB
OPTIQUE
