Détermination des contraintes résiduelles dans les matériaux céramiques pour SOFC : mesures multi-échelles et influence des cycles d’oxydo-réduction

par Julie Villanova

Thèse de doctorat en Sciences et Génie des Matériaux

Sous la direction de Roland Fortunier.

Soutenue le 08-12-2010

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 , en partenariat avec CEA Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Yves Bréchet.

Le jury était composé de Jérôme Laurencin, Sébastien Micha, Olivier Sicardy.

Les rapporteurs étaient Samuel Forest, Olivier Castelnau.


  • Résumé

    Les piles à combustible Solid Oxide Fuel Cell sont des systèmes de production d’électricité. Une cellule élémentaire est un multicouche constitué de matériaux céramiques et de métal. Elles sont très sensibles aux contraintes mécaniques générées lors des cycles thermiques et d’oxydo-réduction, limitant leur durée de vie.Ce travail a porté sur la détermination expérimentale des contraintes résiduelles dans des cellules SOFC à anode support en fonction des sollicitations du système. Parallèlement à des mesures in-situ en température, une approche multi-échelles a été développée pour évaluer les hétérogénéités de contraintes dans l’électrolyte liées à la forte anisotropie élastique de la zircone yttriée qui le constitue. Différentes techniques ont été mise en œuvre afin de couvrir les 3 ordres de contraintes. Les mesures à l’échelle macroscopique ont été effectuées par diffraction de rayons X de laboratoire (méthode des sin²(Ψ)). La microdiffraction de rayonnement synchrotron en mode faisceau blanc et monochromatique a permis, après un important travail d’amélioration du protocole de mesure et d’analyse, de déterminer les tenseurs complets de contraintes et déformations grain à grain dans l’électrolyte. Les déformations intra-granulaires ont été évaluées par une technique d’EBSD.Les résultats obtenus ont permis d’analyser les mécanismes principaux qui régissent les évolutions de contraintes dans l’électrolyte. Des hétérogénéités de contraintes entre grains liées à leurs orientations cristallographiques ont été mises en évidence. Au-delà du problème des SOFC, les techniques mises en œuvre ouvrent la voie aux validations expérimentales des modèles mécaniques poly-cristallins.

  • Titre traduit

    Determination of residual stresses in ceramic materials of SOFC : multi-scale measurements and oxido-reduction influence


  • Résumé

    The Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) are high-performance electrochemical devices for energy conversion. A single cell is composed of layers made of different ceramic materials and metal. The mechanical integrity of the cell is a major issue during its lifetime. Damage of the cells is mainly due to the high operating temperature, the “redox” behavior of the anode and the brittleness of the involved materials. In this work, residual stresses in the electrolyte of a planar anode-supported SOFC have been experimentally measured for different treatments of the cell. In situ analysis at various temperatures has been performed. A multi-scale approach has been developed to study the expected strain-stress heterogeneities in the electrolyte due to the strong elastic anisotropy of the involved material (yttria-stabilized zirconia). Different techniques have been used to determinate stresses at the 3 different orders. Macroscopic stresses were studied using the Sin2 method on a laboratory X-ray goniometer. The complete strain and stress tensors of individual grains in the electrolyte have been determinate, after various improvements in the technique, by combining the diffraction of white and monochromatic micro beams produced by synchrotron source. Strain variation into grains has been evaluated using EBSD.This study has identified the main phenomena that control the stresses variation in the electrolyte layer. Stresses heterogeneities from grain to grain have been found and linked to the crystallographic orientation. Beyond SOFC’s considerations, the techniques that have been developed should permit an experimental validation of mechanical modeling to polycrystalline materials.


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