Etude de la genèse de microstructures de monolithes et de composites à base de nitrure d'aluminium selon le procédé de frittage sous charge et la nature des additifs. Corrélations avec leur performances électriques et thermiques

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surfaces

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Composite particulaire, Hot Pressing, Aluminates d’yttrium, Aluminate de cérium

Mots-clés

Nitrure d'aluminium,

Spark plasma sintering (métallurgie),

Yttrium -- Composés,

Cérium -- Composés,

Conduction électrique,

Conductivité thermique

Le travail présenté au sein de ce manuscrit est focalisé sur l’étude des phases secondaires générées au cours du frittage de céramiques monolithiques et composites de nitrure d’aluminium (AlN). Au cours de l’étude des monolithes d’AlN, deux additifs de frittage ont été utilisés : i) l’oxyde d’yttrium (Y2O3) ; ii) l’oxyde de cérium (CeO2). En parallèle, deux méthodes de frittage ont été retenues : i) le Hot Pressing (HP) ; ii) le Spark Plasma Sintering (SPS). Dans un premier temps, sur la base d’essais de trempe, un mécanisme de formation des phases secondaires a été proposé. Celui-ci repose sur l’apparition d’une phase liquide transitoire produite par la réaction entre l’oxyde d’aluminium, présent nativement à la surface des grains d’AlN et, l’additif. Puis, les phases secondaires sont formées par des mécanismes de dissolution – précipitation via cette phase liquide. L’utilisation de l’oxyde d’yttrium implique la formation des aluminates d’yttrium YAM, YAP et YAG tandis que l’oxyde de cérium permet de générer une phase secondaire unique (CeAlO3). Par ailleurs, la distribution spatiale et la morphologie de la phase secondaire ont semblé conditionné par le procédé de frittage employé. En, effet, dans le cas du frittage HP, les phases secondaires forment des grains localisés au niveau des joints triples d’AlN. A l’inverse, le procédé SPS produit de fins cordons intergranulaires de phases secondaires. L’étude du frittage par HP de composites AlN-BN en présence de cérine a révélé que le nitrure de bore n’intervenait pas dans le mécanisme de formation de la phase secondaire et pouvait être considéré comme spectateur. Enfin, les propriétés de conduction électrique et thermique des monolithes et composites ont été investiguées. Bien que le mécanisme de conduction électrique (SCLC) soit indépendant de la présence de phases secondaires, la nature de ces phases ainsi que leur distribution spatiale influencent les niveaux de conductivité électrique au sein du volume de ces céramiques. L’ensemble de ces observations ont par la suite été appliquées à l’étude du composite AlN-BN fritté en présence de CeO2. Il apparait que la présence du BN n’influence pas les mécanismes de conductions observés mais implique une variation des valeurs mesurées pour chacune de ces propriétés.