Hétérodiffusion cationique et propriétés mécaniques de la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium : influence de l'irradiation

par Vincent Menvie Bekale

Thèse de doctorat en Chimie. Physicochimie des matériaux

Sous la direction de Anne-Marie Huntz-Aubriot.


  • Résumé

    La zircone cubique stabilisée à l’oxyde d’yttrium (YSZ) est envisagée comme matrice inerte pour la transmutation des déchets radioactifs. Dans ce contexte, ce travail est consacré à l’étude des propriétés de transport atomique et des propriétés mécaniques de cette céramique, ainsi qu’à l’influence de l’irradiation sur ces propriétés. L’étape préliminaire concerne l’élaboration de céramiques de zircone cubique YSZ non dopée et dopée en terres rares pour former des solutions solides homogènes Ce-YSZ ou Gd-YSZ, les plus denses possibles. Les expériences de diffusion de Ce et Gd dans YSZ ou Ce-YSZ ont été menées sous air entre 900 et 1400 °C, et les profils de pénétration ont été obtenus par SIMS. La diffusion en volume diminue lorsque le rayon ionique de l’élément diffusant augmente. La comparaison des valeurs d’énergie d’activation pour la diffusion en volume avec celles fournies par la littérature suggère que la diffusion cationique a lieu via un mécanisme lacunaire. Les résultats de la diffusion de Ce dans YSZ irradié avec des ions Au de 4 ou 20 MeV montrent un ralentissement de la diffusion en volume à 1000 et 1100 °C lorsque l’endommagement est très important (30 dpa). Les propriétés mécaniques des céramiques YSZ non irradiées et irradiées avec les ions Pb de 944 MeV ont été étudiées par micro-indentation Vickers et par nano-indentation Berkovitch. La dureté du matériau augmente lorsque la taille de grains diminue. De plus, en raison de la présence de contraintes résiduelles de compression dans la zone irradiée, la dureté et la ténacité augmentent avec la fluence d’irradiation.

  • Titre traduit

    Cationic heterodiffusion and mechanical properties of yttria-stabilized zirconia : influence of irradiation


  • Résumé

    Cubic yttria-stabilized zirconia (YSZ) is a promising material as target for the transmutation of radioactive waste. In this context, the present work is dedicated to the study of the atomic transport and the mechanical properties of this ceramic, as well as the influence of irradiation on these properties. The preliminary step concerns the synthesis of YSZ cubic zirconia ceramic undoped and doped with rare earths to form homogeneous Ce-YSZ or Gd-YSZ solid solutions with the highest density. The diffusion experiments of Ce and Gd in YSZ or Ce-YSZ were performed in air from 900 to 1400 °C, and the depth profiles were established by SIMS. The bulk diffusion decreases when the ionic radius of diffusing element increases. The comparison with literature data of activation energies for bulk diffusion suggests that the cationic diffusion occurs via a vacancy mechanism. The diffusion results of Ce in YSZ irradiated with 4 or 20 MeV Au ions show a bulk diffusion slowing-down at 1000 and 1100 °C when the radiation damage becomes important (30 dpa). The mechanical properties of YSZ ceramics irradiated with 944 MeV Pb ions and non irradiated samples were studied by Vickers micro indentation and Berkovitch nano indentation techniques. The hardness of the material increases when the average grain size decreases. Furthermore, the hardness and the toughness increase with irradiation fluence owing to the occurrence of compressive residual stresses in the irradiated area.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (II-145 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 137-145

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2007)228
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