Propriétés thermomécaniques des matériaux réfractaires, influence de la microfissuration diffuse

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Matériaux réfractaires modèles à base d'Al₂TiO₅, Anisotropie de dilatation thermique, Microstructure microfissurée, Propriétés thermomécaniques non linéaires, Comportement aux chocs thermiques

Mots-clés

Matériaux réfractaires,

Dilatation (thermodynamique),

Microstructure (physique)

Les matériaux réfractaires sont largement utilisés dans les applications à haute température mais ne sont pas toujours enclins à résister aux chocs thermiques sévères. Pour résoudre ce problème, une microstructure incorporant des microfissures préexistantes est une solution bien connue pour améliorer la résistance aux chocs thermiques. Néanmoins, une telle microstructure endommagée nécessite une meilleure compréhension pour optimiser son design sans compromettre l'intégrité du matériau. Dans un tel contexte, le Titanate d'Aluminium (Al₂TiO₅, AT) présentant une forte anisotropie de dilatation thermique, constitue un système modèle idéal pour créer un réseau de microfissures adapté afin d'améliorer la flexibilité et le comportement à la rupture. Cette thèse étudie les propriétés thermomécaniques des matériaux réfractaires développés à base d'AT, comprenant des céramiques polycristallines et des composites alumine/AT, en mettant l'accent sur les relations entre la microstructure et les propriétés macroscopiques. Dans le cas de ces deux matériaux, les microfissures préexistantes jouent un rôle clé sur le module de Young, le comportement de dilatation thermique, la réponse contrainte-déformation en traction, l'énergie de rupture et donc la résistance aux chocs thermiques. Un effet d’hystérésis significatif sur le module de Young et l’expansion thermique en fonction de la température témoigne des mécanismes de fermeture-réouverture de microfissures. Des essais de traction uniaxiale ont mis en évidence des lois de comportement non linéaires, impactant l'énergie de rupture et la résistance aux chocs thermiques. En particulier, des essais de traction incrémentale à 850 °C ont montré des comportements antagonistes à la montée ou à la descente en température du fait de l’histoire thermique. Les composites (alumine/AT) avec des 0 à 10 % d’inclusions présentent des microfissures diffuses dues à un différentiel d’expansion thermique. Ils présentent un module de Young réduit, des lois de comportement fortement non linéaires et une déformation à la rupture plus élevée à température ambiante. Les essais de choc thermique effectués par le dispositif innovant ATHORNA pour tous les matériaux à base d'AT étudiés ont confirmé leur résilience sous gradient thermique élevé. Ces résultats fournissent des informations précieuses pour le design de futurs matériaux réfractaires avancés présentant une résistance aux chocs thermiques améliorée.