Micro-pyrolyse de couches minces de polymères précurseurs de céramiques

par Sandrine Bec

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Jean-Luc Loubet.

Soutenue en 1992

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    La pyrolyse d'un polymère précurseur permet de réaliser des dépôts céramiques. Comparé aux méthodes classiques (CVD, PVD), le principe est simple mais la réalisation pose des problèmes importants. On ne parvient pas à élaborer de cette façon des revêtements d'une épaisseur supérieure a environ 0,5 micromètres non fissurés et adhérents. L'objectif de cette étude est la compréhension des phénomènes de fissuration spontanée lors de la transformation par pyrolyse d'un film mince de polysilazane en céramique "SiCN". Dans un premier temps, l'analyse du comportement de dépôts pyrolysés sous différentes atmosphères est effectuée avec un dispositif de micro-pyrolyse spécialement développé pour cette étude. II permet d'observer en microscopie optique la surface du dépôt en continu pendant le traitement thermique. Nous mettons ainsi en évidence plusieurs phénomènes pendant le chauffage. En particulier, nous montrons que la fissuration des dépôts se produit pendant la montée en température, vers 580°C sous azote ou sous argon. Des caractérisations chimiques montrent que dans ces conditions, les dépôts sont du type SiCNO avec une couche oxydée (SiO2) en surface (épaisseur 100 nanometres environ). Des modélisations mécaniques issues de la littérature, puis la construction d'un modèle monodimensionnel simple nous permettent de décrire la fissuration et le décollement des dépôts de manière plus quantitative. La dernière partie de ce travail consiste en la détermination des paramètres principaux qui gouvernent cette fissuration. La caractérisation mécanique des dépôts a différents stades de la transformation du précurseur est effectuee par nanodurete. Nous montrons que la fissuration des dépôts coïncide avec un brutal accroissement des propriétés mécaniques du matériau (dureté et module d'Young) entre 550°C et 650°C, couple à une augmentation importante du retrait a ces températures. Nous en déduisons que la fissuration résulte de la transition polymère/céramique.


  • Résumé

    Polymer pyrolysis is one method to make ceramic coatings. Compared to classical methods (CVD, PVD), the principle is simple but there are important problems in its implementation. With this technique, uncracked and adhering coatings thicker than 0. 5 micrometers cannot be obtained. The aim of this study is to understand spontaneous cracking phenomena during the transformation by pyrolysis of a thin polysilazane film into "SiCN" ceramic. First, the analysis of the behaviour of coatings pyrolysed under various atmospheres is done with a micro-pyrolysis apparatus, constructed specifically built for this study. It allows in-situ observation of the surface by optical microscopy during pyrolysis heat treatment. The changes during heating are demonstrated. In particular, we show that cracking during heating occurs at around 580°C under nitrogen or argon atmosphere. Chemical characterization shows that in these conditions, the coatings are SiCNO ceramic with an oxydized layer (S1O2) at their surface (around 100 nanometers thick). Mechanical modelling from literature precedents and the construction of a simple monodimensionnal model allow us to describe the cracking and decohesion phenomena more quantitatively. The last part of this study consists of the determination of the principal parameters which control these cracking phenomena. Mechanical characterization of coatings at different stages of the pyrolysis treatment is done by nanoindentation. We show that the cracking occurs simultaneously increase of the material's mechanical properties (hardness and Young's modulus) between 550° and 650°C, coupled with an important shrinkage at these temperatures. This shows that the craking is due to the polymer/ceramic transition.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (124-XI p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 94 références

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TH-BEC-92
  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
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  • Cote : T1472
  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
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  • Cote : T1472 mag
  • Bibliothèque : CentraleSupélec. bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : D8 54765
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