Simulations 2D et 3D de microstructure d'alumine projetée plasma pour l'étude de ses propriétés mécaniques et électriques

par Olivier Amsellem

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Michel Jeandin.

Soutenue en 2008

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    L’alumine est un matériau réputé pour ses propriétés d’isolation électrique. Elle est utilisée dans les sondes géologiques qui mesurent la résistivité des roches. Le contexte pétrolier incite les sociétés telles que Schlumberger à développer de nouvelles générations de revêtement dont certains en alumine. Ils sont obtenus par le procédé de projection plasma qui génère dans la structure des fissures et des pores interconnectés. Ce réseau caractérise la porosité de la céramique et dégrade plus ou moins les propriétés des revêtements. Ce travail de thèse propose l’étude d’une gamme de revêtements d’alumine réalisés par projection plasma. Il définit le revêtement d’alumine comme un composite présentant deux phases : la matrice céramique et la porosité. Tout d’abord, une analyse bidimensionnelle classique (employant la microscopie électronique à balayage) a été comparée à une analyse tridimensionnelle (employant la microtomographie) pour déterminer la nature, l’orientation et la répartition des phases : - l'analyse 2D de la microstructure des dépôts a permis de différencier les matériaux en fonction de leur méthode d'élaboration. Nous avons élaboré des composites « alumine-défauts » avec différentes densités surfaciques de pores et de fissures. Pour la co-projection, des composites présentant une matrice d'alumine-verre ont été élaborés. Un post-traitement par laser à excimère a généré des matériaux possédant des propriétés de surface différentes. Enfin, les techniques d'imprégnation ont produit des composites présentant une matrice d'alumine, une porosité remplie de résine ou de phosphate d'aluminium et une porosité non remplie. - l’analyse par microtomographie synchrotron a permis uniquement de caractériser les pores dans les composites. L’étude a montré leur orientation parallèle à la direction de projection et leur morphologie plutôt filaire dans les revêtements d’alumine. De plus, cette technique a mis en évidence les changements de morphologie et de répartition des pores dans une matrice d’alumine-verre ayant subi des traitements thermiques ou bien dans les surfaces traitées par laser. Toutes ces informations complémentaires ont permis de mettre en place une simulation des propriétés mécaniques et électriques fonction des caractéristiques microstructurales. Les mesures d’impédance en milieu liquide ont défini les microstructures composites par des schémas électriques équivalents. Cette mesure s’est révélée être une méthode expérimentale propre à définir les connexions de la porosité. Elle a permis de comparer les composites. Enfin, à partir des images 2D et 3D, une simulation numérique par éléments finis de microstructures réelles a permis de calculer les propriétés élastiques et diélectriques des composites. Ces simulations ont permis d’établir le lien entre microstructures et propriétés des dépôts. Elles semblent très prometteuses pour établir les conditions d’élaboration des revêtements en fonction des propriétés souhaitées.

  • Titre traduit

    Two-dimensional and three-dimensional simulation analysis of plasma sprayed alumina microstructures for the study of their mechanical and electrical properties


  • Résumé

    Alumina is a material known for its electrical insulation properties. It is used in geological tools to measure the conductivity of rocks. The context encourages oil companies like Schlumberger to develop new generation of coatings such as alumina. These are obtained by plasma spraying process which generates a microstructure with interconnected cracks and pores. This network characterizes the porosity of the ceramic and decreases the properties of coatings. This thesis work rests on study of a range of plasma sprayed alumina coatings. It defines the alumina coating as a composite of two phases: a ceramic matrix and porosity. First, a classical two-dimensional analysis (using scanning electron microscopy) was compared to a three-dimensional analysis (using X-ray microtomography) to determine the nature, orientation and distribution of phases. -A 2D analysis of the coating microstructure helped on discriminating the materials as a function of their elaboration process. We developed "alumina-defects" composite with different surface densities of pores and cracks. With the co-spraying process, alumina-glass composites were developed. A post-treatment with an excimer laser led to materials with different surface properties. Finally, impregnation technologies could result in composites of alumina with a porosity filled with resin or aluminum phosphate and unfilled porosity. - X-ray microtomography analysis allowed only to characterize pores in composites. The study showed their orientation parallel to the spraying direction and their needle morphology in alumina coatings. Moreover, this technique highlighted the changes in morphology and distribution of pores in a matrix of alumina-glass which underwent heat treatment or in the surfaces which were treated by laser. All this information allowed to develop a simulation of mechanical and electrical properties depending on microstructural characteristics. Impedance measurements identified composite microstructures as an equivalent electrical circuit. This measure was shown to be an experimental method to exhibit connections between pores. This helped in comparing composites. In a final stage, from 2D and 3D images, a finite element simulation of real microstructures allowed to calculate the elastic and dielectric properties of composites. These simulations showed the link between microstructure and properties of coatings. They seem very promising to select the process for the development of coatings with targeted properties.

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  • Détails : 1 vol. (189 p.)
  • Annexes : Bibliographie 120 réf.

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