Approche du frittage SPS de céramiques fines de carbure de bore : rôle des poudres initiales et de la mise en forme

par Mathias Georges

Thèse de doctorat en Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Sous la direction de Alexandre Maître, Guy Antou et de Nicolas Pradeilles.

Le président du jury était Nathalie Moncoffre.

Le jury était composé de Nicolas Pradeilles, Jean-François Barthélémy, Grégory Etchegoyen.

Les rapporteurs étaient Frédéric Bernard, Sébastien Mercier.


  • Résumé

    Le frittage par le procédé Spark Plasma Sintering (SPS) de céramiques denses de carbure de bore sans ajout d’additifs de frittage a été investi. L’effet de la mise en forme de la poudre de carbure de bore a été étudié. Dans ce cadre, une étude sur la mise en suspension de la poudre commerciale a été menée, quatre solvants permettant l’obtention de suspensions stables ont ainsi été identifiés (eau dés-ionisée, mélange eau dés-ionisée/tétraméthylamonium, acide oléique et éthylène glycol). Des valeurs de densité relative à cru plus élevées ont été obtenues par voie liquide et coulage naturel par rapport à celles des crus obtenus par pressage uniaxiale. De plus, le cycle de frittage SPS a été optimisé notamment sur la base de certains paramètres (température, temps du palier isotherme, contrainte uniaxiale appliquée). Les cinétiques de densification associées ont conduit à l’établissement d’une carte de frittage SPS du carbure de bore. Cette dernière a mis en évidence un large domaine de valeurs de densité relative (comprises entre 84 et 97%), pour lequel le phénomène de croissance granulaire est peu présent. La confrontation des données expérimentales avec le modèle viscoplastique d’Olevsky a conduit à identifier les mécanismes de densification sur la base notamment des valeurs d’exposant de contrainte (de l’ordre de 3-4) et d’énergie d’activation apparente (112 kJ.mol-1). Ainsi, il a été démontré que la consolidation du carbure de bore était assistée par un mécanisme de déformation plastique gouverné par des mouvements de dislocations. Les observations microstructurales suggèrent également l’existence d’un phénomène de maclage à haute température. En parallèle, une instrumentation spécifique a été mise en place permettant d’identifier les caractéristiques de fonctionnement du générateur de courant pulsé. Sur la base de ces données électriques, un modèle numérique robuste par éléments finis du procédé SPS a été établi. Le développement de ce modèle numérique a permis d’optimiser le passage au frittage de céramique de carbure de bore de plus grande dimension. Ce changement d’échelle a nécessité l’optimisation de paramètres tels que la température de frittage ou encore les caractéristiques géométriques de la matrice.

  • Titre traduit

    SPS sintering approach to fine boron carbide ceramics : role of initial powders and forming


  • Résumé

    Sintering of dense boron carbide ceramics by Spark Plasma Sintering (SPS) without sintering additives was investigated. The shaping effect of the commercial boron carbide powder was analysed. In this context, a study on the suspension of the powder was carried out, and four solvents allowing to obtain stable suspensions were thus identified (deionized water, mixture of deionized water/tetramethylammonium, oleic acid and ethylene glycol). Higher green relative densities were obtained by the liquid route and slip casting compared to those obtained by uniaxial pressing. In addition, the SPS sintering cycle has been optimized based on these parameters: temperature, isothermal dwell-time, applied uniaxial stress. The associated densification kinetics led to the establishment of a sintering map for SPS treatment of the considered boron carbide powders. This map showed a wide range of values of relative density (between 84 and 97%), for which densification process occurs without grain growth. The comparison of the experimental data with the viscoplastic model of Olevsky led to the identification of the densification mechanisms, based in particular on the determined values of stress exponent (about 3-4) and of apparent activation energy (112 kJ.mol-1). Thus, it has been demonstrated that consolidation of boron carbide was assisted by a plastic deformation mechanism governed by dislocation motion. The microstructural observations also suggest the existence of a twinning phenomenon at high temperature. In parallel, a specific instrumentation was set up to identify the operating features of the pulsed current generator. Based on these electrical data, a robust numerical model by finite element of the SPS process has been established. The development of this numerical model allowed to optimize the sintering conditions of larger boron carbide ceramics. This scaling up has required the optimization of parameters such as the sintering temperature or the geometrical characteristics of the die.


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