Élaboration d'objets massifs céramiques de type nanocomposite par la voie "polymère précéramique"

par Mirna Bechelany

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Philippe Miele et de Samuel Bernard.

Soutenue le 13-12-2011

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphane Daniele.

Le jury était composé de Philippe Miele, Samuel Bernard, Markus Weinmann.

Les rapporteurs étaient Francis Cambier, Fabrice Rossignol.


  • Résumé

    Dans le cadre de ce travail, une méthode chimique, la voie « polymère précéramique » a été mise en oeuvre pour générer des nanocomposites céramiques à base de silicium et contenant des métaux de transition (Ti, Zr, Hf) sous forme d'objets massifs. Cette thèse consiste tout d'abord en un premier chapitre de bibliographie décrivant la méthode de préparation mise en oeuvre dans ce manuscrit ainsi que les matériaux étudiés. L'étude consiste dans un deuxième chapitre à synthétiser puis à caractériser des polymétallosilazanes qui, par des traitements thermiques appropriés, conduisent à des nanocomposites dans lesquels des nanocristaux de nitrures métalliques (nc-MN avec M = Ti, Zr et Hf) sont dispersés dans une phase amorphe ou cristallisée de nitrure de silicium. Ces nanocomposites sont alors caractérisés par différentes techniques afin de sélectionner les paramètres opératoires, allant de la synthèse des polymères à leur conversion en céramique, conduisant aux nanocomposites souhaités (e.g. matrice amorphe de nitrure de silicium) avec les propriétés visées (e.g. coloration). Dans un troisième chapitre, l'étude vise à modifier chimiquement ces polymétallosilazanes afin qu'ils soient adaptés à la conception d'objets massifs par compactage à chaud de polymetallosilazanes puis traitement thermique des compacts polymères. Des techniques de caractérisation sont alors mises en oeuvre sur l'ensemble du procédé pour suivre la transformation du compact polymère en objet massif. Les propriétés mécaniques de ces derniers sont notamment discutées. Dans chapitre 4, nous présentons des résultats préliminaires sur i) l'utilisation de la technique Spark Plasma Sintering pour optimiser la qualité des objets massifs à partir des poudres élaborées dans le chapitre 2, ii) l'ajout d'un second métal au système ternaire Si/Ti/N suivant le procédé d'élaboration étudié dans les chapitres 2 et 3 et iii) l'élaboration de ces nanocomposites à travers une voie d'élaboration dont le coût de préparation est plus abordable

  • Titre traduit

    Elaboration of silicon-based nanocomposites through the "polymer-derived ceramics route"


  • Résumé

    In the present work, a chemical approach called the « Polymer Derived Ceramics » route, has been applied to prepare monolithic ceramic nanocomposites of the type nc-MN/a-Si3N4 with nc, nanocrystals, M, Transition Metal (Ti, Zr, Hf) and a being amorphous. After a literature review in the first chapter, we have designed preceramic polymers of the type polymetallosilazanes to provide after pyrolysis nanocomposites in form of powders in the second chapter. Each step of the process has been studied using characterization tools such as molecular weight measurements, solid-state NMR, and infrared spectroscopy. The structure of the polymers has been proposed. The pyrolysis has been investigated by thermogravimetric analysis and the final materials have been characterized by X-ray diffraction and TEM to confirm the nature of the nanocomposites. In a third chapter, polymers have been tested with regard to warm-pressing as shaping process to form green compacts which have been treated under ammonia then nitrogen at high temperatures to produce the desired ceramic nanocomposites (e.g. amorphous silicon nitride matrix) with specified properties (e.g. decorative properties) in form of monolith. Structural, mechanical and decorative properties have been finally studied. In the fourth chapter, we presented preliminary results on i) the use of Spark Plasma Sintering technique on the powders prepared in chapter 2 to optimize the quality of the solid objects ii) the introduction of two types of transition metals in the same polymetallosilazane leading to a new type of nanocomposite according to the process described in chapters 2 and 3 and iii) the elaboration of these nanocomposites through a cost-effective “two-step” process by dispersing transition metal nanoparticles within polycarbosilazanes

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