Élaboration de nouvelles phases céramiques légères (phosphure de bore) pour applications structurales et étude de leur stabilité thermodynamique

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Phosphure de bore, Stabilité thermique, Propriétés mécaniques, Balistique

Mots-clés

Matériaux,

Bore,

Spark plasma sintering (métallurgie),

Effets de la chaleur,

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Les travaux de cette thèse sont centrés sur l’étude du système Bore-Phosphore, avec deux axes principaux : i) approfondir la compréhension de la stabilité thermique des phases BP et B12P2, notamment la décomposition thermique de la phase BP, et ii) élaborer par la méthode SPS des échantillons denses pour des applications spécifiques, notamment la protection balistique. La première étape implique la caractérisation de poudres submicroniques de BP et de B12P2, obtenues par deux voies de synthèse : la synthèse autopropagée (SHS) et la mécanosynthèse. L’étude de la stabilité thermique de la phase BP a permis de clarifier les mécanismes de décomposition menant à la formation de B12P2, identifiant un modèle de cœur rétrécissant avec une germination instantanée suivie d’une croissance anisotrope, limitée par des réactions d’interface. L’étude de l’aptitude au frittage des poudres de B12P2 a permis de déterminer les conditions expérimentales nécessaires pour atteindre une densification complète. L’approche expérimentale du frittage, accompagnée de l’acquisition de données sur l’évolution des microstructures et des cinétiques de densification, permet d’identifier les mécanismes dominants notamment par des phénomènes de micro-plasticités. Ces connaissances ont été appliquées à la mise à l’échelle des échantillons, notamment dans le cadre de la production de pièces denses de 40 mm de diamètre, frittées selon un cycle optimisé, déterminé à partir de simulations électrothermiques du frittage SPS. Les pièces obtenues ont ensuite été caractérisées mécaniquement, montrant une forte dureté, une bonne ténacité et des modules élastiques élevés. Les performances balistiques des échantillons ont été évaluées par des essais d'impact de plaques, révélant une excellente résistance à l’écaillage et une limite d’élasticité d'Hugoniot élevée, soulignant leur potentiel pour des applications de protection balistique