Élaboration de nouvelles phases céramiques légères (phosphure de bore) pour applications structurales et étude de leur stabilité thermodynamique

Elaboration of new lightweight ceramics (boron phosphide) for structural applications and study of their thermodynamical stability

• Auteur / Autrice : Yves Tahan
• Direction : Alexandre Maître, Olivier Rapaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 26/03/2025
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques (Limoges ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Moncoffre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Pradeilles, Loïc Favergeon, Yann Le Godec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Latu-Romain, Guillaume Bernard-Granger
• DOI : 10.70675/c4d16512z402fz4112za115zce0eb7dc4674

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Bore

Spark plasma sintering (métallurgie)

Effets de la chaleur

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Phosphure de bore

Stabilité thermique

Propriétés mécaniques

Balistique

Materials

Boron phosphide

Spark Plasma Sintering

Thermal stability

Mechanical properties

Ballistics

Résumé

Les travaux de cette thèse sont centrés sur l’étude du système Bore-Phosphore, avec deux axes principaux : i) approfondir la compréhension de la stabilité thermique des phases BP et B12P2, notamment la décomposition thermique de la phase BP, et ii) élaborer par la méthode SPS des échantillons denses pour des applications spécifiques, notamment la protection balistique. La première étape implique la caractérisation de poudres submicroniques de BP et de B12P2, obtenues par deux voies de synthèse : la synthèse autopropagée (SHS) et la mécanosynthèse. L’étude de la stabilité thermique de la phase BP a permis de clarifier les mécanismes de décomposition menant à la formation de B12P2, identifiant un modèle de cœur rétrécissant avec une germination instantanée suivie d’une croissance anisotrope, limitée par des réactions d’interface. L’étude de l’aptitude au frittage des poudres de B12P2 a permis de déterminer les conditions expérimentales nécessaires pour atteindre une densification complète. L’approche expérimentale du frittage, accompagnée de l’acquisition de données sur l’évolution des microstructures et des cinétiques de densification, permet d’identifier les mécanismes dominants notamment par des phénomènes de micro-plasticités. Ces connaissances ont été appliquées à la mise à l’échelle des échantillons, notamment dans le cadre de la production de pièces denses de 40 mm de diamètre, frittées selon un cycle optimisé, déterminé à partir de simulations électrothermiques du frittage SPS. Les pièces obtenues ont ensuite été caractérisées mécaniquement, montrant une forte dureté, une bonne ténacité et des modules élastiques élevés. Les performances balistiques des échantillons ont été évaluées par des essais d'impact de plaques, révélant une excellente résistance à l’écaillage et une limite d’élasticité d'Hugoniot élevée, soulignant leur potentiel pour des applications de protection balistique

This work investigates the Boron-Phosphorus system with two main objectives: i) to deepen the understanding of the thermal stability of the BP and B12P2 phases, particularly the thermal decomposition of BP, and ii) to develop dense samples by SPS process for specific applications, particularly in ballistic protection. The initial steps involved the characterisation of submicron BP and B12P2 powders, synthesised using two methods: self-propagating high-temperature synthesis (SHS) and mechanosynthesis. The study of the thermal stability of the BP phase clarified the decomposition mechanisms leading to the formation of B12P2, revealing a shrinking core model in which rapid nucleation is followed by anisotropic growth, limited by interface reactions. The investigation into the sintering behaviour of B12P2 powders identified the optimal experimental conditions for achieving full densification. The experimental approach to sintering, coupled with the acquisition of data on microstructural evolution and densification kinetics, allows the identification of the dominant mechanisms. These findings were applied to scale up the process, particularly for producing dense 40 mm diameter pieces, sintered using an optimised cycle derived from electrothermal simulations of SPS sintering. The resulting samples were characterised mechanically, exhibiting high hardness, good toughness, and elevated elastic moduli. Their ballistic performance was assessed through plate impact tests, demonstrating excellent resistance to spalling and a high Hugoniot elastic limit, highlighting their potential for ballistic protection applications.