Développement du SMAT hybride : la formation de nanomatériaux de carbone et de nitrure

Development of hybrid surface mechanical attrition treatment : formation of carbon and nitride nanomaterials

• Auteur / Autrice : Xiaofang Yang
• Direction : Jian Lu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes mécaniques et matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Nanostructures

Contraintes (mécanique)

Nitruration

Carbone

Nanotubes

Contraintes thermiques

Résumé

Un procédé dénommé SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) a été développé pour la fabrication des structures nanocristallines à la surface des matériaux cristallins. Les propriétés mécaniques ainsi que les propriétés de diffusion avec une réactivité exceptionnelle sont nettement améliorées pour l’échantillon SMATé. Par conséquent, les métaux SMATés sont considérés pour la fabrication de nanomatériaux de carbone. Des échantillons en acier inoxydable (AISI 316L), Co, Ni et Ti SMATés ont été soumis au procédé CVD simple pour la synthèse des nanomatériaux de carbone. Les nanomatériaux de carbone sont obtenus en surface de ces échantillons. Ces produits sont caractérisés par MET, MEB, DRX et spectrométrie RAMAN, indiquant une présence de CNFs sur les échantillons SMATés en acier inoxydable 316 L, Co, Ti ainsi qu’une présence de CNFs et MWNTs sur Ni SMATé. Le mécanisme de la croissance de CNFs sur les métaux de transition traités par le SMAT a été illustré schématiquement. Les effets de différents paramètres sont ainsi discutés. La seconde partie de la thèse concerne un nouveau développement de la machine SMAT. Pour former une couche nanostructurée plus épaisse en surface de matériaux, un nouveau système de SMAT a été développé. Les échantillons en l’acier inoxydable 316 ont été traités sous traction et à haute température en utilisant le nouveau système de SMAT. Puis, ces échantillons ont été nitrurés par un procédé de nitruration assisté par plasma. Les échantillons ont été caractérisés par microscopie optique, DRX, nanoindentation, et la machine de micro-dureté

Since the development of the new technique SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment), great success has been achieved. The mechanical properties and the diffusion properties of materials treated by SMAT are greatly improved. Carbon nanomaterials such as carbon nanofibers (CNFs) and carbon nanotubes (CNTs) have attracted special attention due to their unique properties and potential application. Since the diffusion properties of materials have been improved after the SMAT process, a SMAT process followed by a CVD process, i. E. Hybrid SMAT, is tailored for synthesizing carbon nanomaterials in-situ on the surface of bulk metallic materials. 316L stainless steel, pure Co, pure Ni and pure Ti plate were subjected to hybrid SMAT process to synthesize carbon nanomaterials. The effects of main parameters are discussed. The products were investigated by SEM, TEM, XRD and RAMAN characterizations. Growth mechanism was proposed. The second part of work concerns the development of SMAT machine and the formation of nitride nanomaterials on bulk metallic materials. A new SMAT system that can provide various treating conditions was developed to form a thicker nanostructured surface layer. 316 stainless steel samples were subjected to the new system, treating under traction and under thermal stress respectively. The treated samples were investigated by optical micros-copy, XRD and nanoindentation. Treated samples were submitted to the nitriding process to form nitride nanomaterials. The nitride samples were investigated by optical microscopy and microhardness tester