Etude des mécanismes de renforcement et de dégradation des céramiques biomédicales à base de zircone : du macroscopique au nanoscopique : contribution de la microscopie à force atomique

par Sylvain Deville

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Jérôme Chevalier.

Soutenue en 2004

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    Les récents événements de rupture de têtes fémorales en zircone ont montré l'importance d'une compréhension des mécanismes fondamentaux de la transformation de la zircone. Par ailleurs, l'augmentation de la durée de vie des personnes soutient le besoin d'une durée de vie des prothèses beaucoup plus importante qu'actuellement. Dans ce contexte, le projet européen Bioker, dans lequel s'est inscrit ce travail de thèse, a pour but de développer et caractériser de nouveaux matériaux nanocomposites alumine zircone. Les matériaux ont été caractérisés selon deux points de vue distincts : d'une part les mécanismes de renforcement et d'autre part ceux de dégradation. La nuance retenue présente un renforcement par pontage important, dégradé en partie par la fatigue cyclique. Les seuils de propagation de fissures restent malgré tout bien supérieurs à ceux mesurés pour les céramiques biomédicales classiques, ce qui laisse augurer d'une durée de vie augmentée. En terme de dégradation, la zircone est sensible au phénomène de vieillissement, une transformation de phase à basse température. De nature martensitique, celle-ci a été appréhendée de deux manières. Dans un premier temps, des nouveaux paramètres critiques sur les cinétiques de vieillissement ont été identifiés, comme l'influences des contraintes induites par le polissage ou la présence d'une phase cubique résiduelle. L'influence d'une matrice stable en alumine a été identifiée par des observations combinées de différentes techniques microscopiques. La microscopie à force atomique a été particulièrement mise à contribution pour analyser et mesurer avec précision les caractéristiques du relief induit par la transformation, en particulier lors des premiers stades. En parallèle, la théorie phénoménologique cristallographique a été appliquée au cas de la zircone cériée. Le relief induit a été prédit avec précision, sans aucun paramètre ajustable. La comparaison théorie/expériences obtenue s'est révélée excellente, apportant de nouveaux éclairages inédits sur certains aspects physiques et chimiques de la transformation. Finalement, l'analyse effectuée pour la martensite thermique a été appliquée au cas de la martensite mécanique, et des paramètres gouvernant la stabilité des grains quadratiques au voisinage d'une fissure se propageant ont ainsi été déterminés. Au delà de la zircone, ces résultats apportent donc un nouvel éclairage sur toutes les transformations de type martensitique.


  • Résumé

    Les récents événements de rupture de têtes fémorales en zircone ont montré l’importance d’une compréhension des mécanismes fondamentaux de la transformation de la zircone. Par ailleurs, l’augmentation de la durée de vie des personnes soutient le besoin d’une durée de vie des prothèses beaucoup plus importante qu’actuellement. Dans ce contexte, le projet européen Bioker, dans lequel s’est inscrit ce travail de thèse, a pour but de développer et caractériser de nouveaux matériaux nanocomposites alumine zircone. Les matériaux ont été caractérisés selon deux points de vue distincts : d’une part les mécanismes de renforcement et d’autre part ceux de dégradation. La nuance retenue présente un renforcement par pontage important, dégradé en partie par la fatigue cyclique. Les seuils de propagation de fissures restent malgré tout bien supérieurs à ceux mesurés pour les céramiques biomédicales classiques, ce qui laisse augurer d’une durée de vie augmentée. En terme de dégradation, la zircone est sensible au phénomène de vieillissement. Des nouveaux paramètres critiques sur les cinétiques de vieillissement ont été identifiés, ainsi que l’influence d’une matrice stable en alumine. La microscopie à force atomique a été particulièrement mise à contribution pour analyser et mesurer avec précision les caractéristiques du relief induit par la transformation, en particulier lors des premiers stades de la transformation. En parallèle, la théorie phénoménologique de la transformation a été appliquée au cas de la zircone cériée et comparée aux mesures MFA. Au delà de la zircone, ces résultats apportent donc un nouvel éclairage sur toutes les transformations de type martensitique.

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Informations

  • Détails : 255 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 203-215. Publications de l'auteur p. 217-218. Index

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2824)
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