Synthèse frittage et étude du comportement mécanique endommageable de phases MAX - Ablation vers la formation de phases MXenes

Synthesis, sintering and study of the resilient mechanical behaviour of MAX phases - Chemical etching toward the formation of MXene phases

• Auteur / Autrice : Elise Hugon
• Direction : Thierry Chotard, Olivier Rapaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 25/03/2022
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Thierry Ouisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Chotard, Olivier Rapaud, Sylvie Bonnamy, Romain Lucas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Leconte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

MXènes

Frittage (métallurgie)

Spark plasma sintering (métallurgie)

Fusion au plasma

Stoechiométrie

Mots clés libres

Phases MAX carbures

Stoechiométrie 211

Fusion à l’arc

Frittage naturel

Précurseurs précéramiques

Élaboration de MXènes

Carbide MAX phases

211 stoichiometry

Arc melting

Pressureless sintering

Polymer-derived Ceramics

MXene elaboration

Mechanical properties

Résumé

Les phases MAX sont des carbures ou nitrures de métaux de transition, présentant une microstructure caractéristique en feuillets. Ces matériaux originaux combinent des propriétés typiques des céramiques, telles qu'une rigidité élevée et un caractère réfractaire, avec des particularités retrouvées usuellement chez les métaux, comme une bonne conduction électrique et thermique ainsi que la faculté à être usinées facilement. Certaines phases, contenant de l’aluminium, sont résistantes à l’oxydation, par la formation à leur surface d’une couche dense et adhérente d’Al2O3. Ces propriétés en font des matériaux avec un fort potentiel pour des applications en milieux exigeants, notamment dans le domaine des transports. Les phases Ti2AlC, Zr2AlC et Hf2AlC ont été sélectionnées dans ces travaux et synthétisées par fusion à l’arc, frittage naturel et Spark Plasma Sintering (SPS) à partir d’un mélange pulvérulent. L’utilisation de précurseurs précéramiques liquides, menant à une céramique après traitement thermique, a également été envisagée. Les phases MAX peuvent également être ablatées avec des composés fluorés pour extraire l’aluminium de la structure et obtenir des MXènes. Le protocole menant à la phase Ti2C à partir d’une solution d’acide fluorhydrique (HF) et d’un mélange HCl/LiF a été ajusté. Enfin les propriétés mécaniques étonnantes des phases MAX (Ti2AlC et Ti3AlC2) ont été observées. Celles-ci sont capables de dissiper de l’énergie par l’endommagement de la microstructure lors de la sollicitation mécanique, ce qui se traduit par un comportement non-linéaire de la réponse du matériau. L’influence de la proportion de phase MAX ainsi que de la présence de porosité a été étudiée.

MAX phases are transition metal carbides or nitrides, with a characteristic layered microstructure. These original materials combine properties typical of ceramics, such as a high rigidity and a refractoriness, with particularities found usually in metals, alike a good thermal and electrical conductivity as well as the possibility to be easily machined. Some phases, containing aluminium, show oxidation resistance, with the formation of a dense and adherent layer of Al2O3 on their surface. These properties give them high potential for applications in demanding environments, particularly in the transport sector. In this work, Ti2AlC, Zr2AlC and Hf2AlC phases were selected and synthesized by arc melting, pressureless sintering and Spark Plasma Sintering (SPS) from a powder mixture. The use of liquid preceramic precursors, which yield the ceramic after thermal treatment, was also examined. MAX phases can also be chemically etched with fluorinated compounds, to remove the aluminium and form MXene phases. The operating procedure, leading to the Ti2C phase, from a hydrofluoric acid (HF) solution and a HCl/LiF mixture, was adjusted. Finally, the unusual mechanical properties of MAX phases (Ti2AlC and Ti3AlC2) were observed. They are capable of dissipating energy by damaging their microstructure under mechanical stress, resulting in a non-linear behaviour. The influence of MAX phase proportion as well as porosity presence was studied.