ToughGlasses: La recherche aujourd'hui pour des verres de demain

par Weiying Feng

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Cindy Rountree.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) (laboratoire) , SPHYNX (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Ce projet est de recherche fondamentale motivé par la nécessité de prédire (puis de contrôler et d'améliorer) la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d'oxydes sont utilisés pour de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) subissant des sollicitations variées (corrosion sous contrainte, vents, irradiations, température élevée…) pouvant amener un endommagement intempestif et/ou l'altération de leurs fonctionnalités. Des études récentes ont dévoilé une méthode très innovante pour améliorer la réponse en corrosion sous contrainte qui consiste à irradier électroniquement le matériau. Cependant, l'irradiation par électrons modifie aussi la composition chimique et amène la composition du système chimique proche de sa zone de démixtion. La question qu'on se propose de résoudre ici est de vérifier si l'apparition de zone de démixtion est bien responsable de l'amélioration du comportement en corrosion sous contrainte, puis de l'étudier pour ensuite aboutir à l'application en utilisant cette méthode de manière à augmenter la tenue en service des verres. Le doctorat aura la possibilité d'étudier les propriétés physiques, mécaniques et Corrosion Sous Contrainte (CSC) des verres APS (Amorphous Phase Separation). L'objectif principal sera d'étudier la propagation de la fissure par corrosion sous contrainte in situ et l'analyse des surfaces de fracture dans plusieurs verres et des verres avec APS (Amorphous Phase Separation). Cela fournira des informations sur la façon dont l'environnement contrôle le CSC dans les verres et une compréhension de la CSC dans les verres avec l'APS. Cette méthode a déjà été utilisée dans nos groupes pour étudier la surface par rapport à la vitesse avant de la fissure dans de la silice pure (SiO2) et plusieurs échantillons SBN. La répétition de cette étude pour les compositions de verres SBN APS aidera à comprendre la structure physique des verres modifiant les propriétés mécaniques. Dans cet article, nous présentons les résultats du Raman, la spectroscopie RMN, l'absorption des rayons X et d'autres projets de recherche dans CEA, DEN et Université de Rennes. Cela permettra de comparer le comportement de fracture des verres avec d'autres propriétés macroscopiques et microscopiques.

  • Titre traduit

    ToughGlasses: Researching tomorrow's glasses today


  • Résumé

    ToughGlasses is a fundamental research project motivated by the need to improve and assess glasses mechanical durability over the long term. Glasses are integral parts our daily lives (buildings, cars, dishes…) along with being integral parts of heat resistant technologies, protection panels (smart phones, plasma screens…), low-carbon energies (protection for solar panels) and satellites in outer space to name a few. These systems and others undergo a variety of damage (consumer use, sand storms, external irradiations, high temperatures…) which can lead to premature failure and/or alterations of the physical and mechanical properties. Frequently, post-mortem failure studies reveal material flaws which were propagating via Stress Corrosion Cracking (SCC). A recent question arriving in the field has been: Can the Amorphous Phase Separation (APS) of SiO_2-B_2 O_3-Na_2 O (SBN) glasses provide the necessary structure to enhanced SCC behavior? ToughGlasses aim is to fill this gap and to unravel the secret behind enhanced SCC behavior. The Ph.D. candidate will have the opportunity to study the physical, mechanical and stress-corrosion cracking properties of APS glasses. The primary objective of this study will be to observe stress corrosion crack propagation in situ and the analysis of fracture surfaces in several pristine and APS glasses. Hence, providing information on environmental limit of stress corrosion cracking and understanding of how the crack growth occurs in APS glasses. This method was previously used in our group to study the process zone size versus the crack front velocity in pure silica (SiO2) and several SBN samples. Repeating this study for SBN APS glasses compositions will aid in the understanding of how the physical structure of glasses alters the mechanical properties. In conjunction with the primary objective, the candidate will have the occasion to characterize the elastic properties of the samples and their structures (Raman, NMR spectroscopy, X-ray absorption …) with various collaborators including collaborators in CEA, DEN and University of Rennes. This will allow for a comparison of the fracture behavior of glasses with other macroscopic and microscopic properties. Logistically, the candidate will be co-advised by C. L. Rountree at CEA and F. Célarié at Université de Rennes 1. Glass formation and preliminary tests will occur at Université de Rennes 1 and stress corrosion cracking tests along with other tests will be carried out at CEA. In conclusion, the theme of this project is the comprehension of the source of the changes in the macroscopic property, and in particular how to control the stress corrosion cracking properties by varying the structure of glasses through Amorphous Phase Separation.