Etude de la genèse de microstructures de monolithes et de composites à base de nitrure d'aluminium selon le procédé de frittage sous charge et la nature des additifs. Corrélations avec leur performances électriques et thermiques

Study of microstructure genesis of monoliths and particulate composites based on aluminium nitride according to the pressure assisted sintering process and the nature of the additives. Correlations with their electrical and thermal performances

• Auteur / Autrice : Mickael Coeffe-Desvaux
• Direction : Alexandre Maître, Nicolas Pradeilles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surfaces
• Date : Soutenance le 19/10/2022
• 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
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Allix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Maître, Nicolas Pradeilles, Loïc Favergeon, Mickael Joinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Missiaen, Cécile Autret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conductivité thermique

Conduction électrique

Cérium -- Composés

Yttrium -- Composés

Spark plasma sintering (métallurgie)

Nitrure d'aluminium

Mots clés libres

Composite particulaire

Hot Pressing

Aluminates d’yttrium

Aluminate de cérium

Aluminium nitride

Particulate composite

Hot Pressing

Spark Plasma Sintering

Yttrium aluminates

Cerium aluminate

Electrical conductivity

Thermal conductivity

Résumé

Le travail présenté au sein de ce manuscrit est focalisé sur l’étude des phases secondaires générées au cours du frittage de céramiques monolithiques et composites de nitrure d’aluminium (AlN). Au cours de l’étude des monolithes d’AlN, deux additifs de frittage ont été utilisés : i) l’oxyde d’yttrium (Y2O3) ; ii) l’oxyde de cérium (CeO2). En parallèle, deux méthodes de frittage ont été retenues : i) le Hot Pressing (HP) ; ii) le Spark Plasma Sintering (SPS). Dans un premier temps, sur la base d’essais de trempe, un mécanisme de formation des phases secondaires a été proposé. Celui-ci repose sur l’apparition d’une phase liquide transitoire produite par la réaction entre l’oxyde d’aluminium, présent nativement à la surface des grains d’AlN et, l’additif. Puis, les phases secondaires sont formées par des mécanismes de dissolution – précipitation via cette phase liquide. L’utilisation de l’oxyde d’yttrium implique la formation des aluminates d’yttrium YAM, YAP et YAG tandis que l’oxyde de cérium permet de générer une phase secondaire unique (CeAlO3). Par ailleurs, la distribution spatiale et la morphologie de la phase secondaire ont semblé conditionné par le procédé de frittage employé. En, effet, dans le cas du frittage HP, les phases secondaires forment des grains localisés au niveau des joints triples d’AlN. A l’inverse, le procédé SPS produit de fins cordons intergranulaires de phases secondaires. L’étude du frittage par HP de composites AlN-BN en présence de cérine a révélé que le nitrure de bore n’intervenait pas dans le mécanisme de formation de la phase secondaire et pouvait être considéré comme spectateur. Enfin, les propriétés de conduction électrique et thermique des monolithes et composites ont été investiguées. Bien que le mécanisme de conduction électrique (SCLC) soit indépendant de la présence de phases secondaires, la nature de ces phases ainsi que leur distribution spatiale influencent les niveaux de conductivité électrique au sein du volume de ces céramiques. L’ensemble de ces observations ont par la suite été appliquées à l’étude du composite AlN-BN fritté en présence de CeO2. Il apparait que la présence du BN n’influence pas les mécanismes de conductions observés mais implique une variation des valeurs mesurées pour chacune de ces propriétés.

The presented work focuses on the study of the secondary phases generated during sintering of monolithic ceramics and aluminium nitride (AlN) composites. During the study of AlN monoliths, two sintering additives were used: i) yttrium oxide (Y2O3); and ii) cerium oxide (CeO2). Two sintering methods were chosen in order to generate different microstructures: i) Hot Pressing (HP); ii) Spark Plasma Sintering (SPS). On the basis of quenching tests, a secondary phases formation mechanism was proposed. This mechanism is based on the formation of a transient liquid phase formed by the reaction between the aluminum oxide, natively present on the AlN grains’ surface and the additive. Then, the secondary phases are formed by dissolution-precipitation mechanisms through this liquid. The use of yttrium oxide involves the formation of yttrium aluminates (YAM, YAP and YAG), while cerium oxide can generate a single secondary phase (CeAlO3). Moreover, the spatial distribution and morphology of the secondary phase seem to be conditioned by the sintering process. Indeed, in the case of HP, the secondary phases form grains located at the triple points of AlN while SPS produces fine intergranular cords of secondary phases. The study of HP sintering of AlN-BN composites in the presence of ceria revealed that BN could be considered as spectator during the secondary phases’ formation. Finally, the electrical and thermal conduction properties of monoliths and composites were investigated. The electrical conduction mechanism (SCLC) appeared independent of the presence of secondary phases. The nature and spatial distribution of these phases influence the levels of electrical conductivity within the volume of these ceramics. All of these observations were subsequently applied to the study of the AlN-BN sintered in the presence of CeO2. It appears that the presence of BN does not influence the observed mechanisms but implies variations of the measured values for each of these properties.