Rupture des céramiques poreuses : application à la dégradation mécanique des cellules à oxyde solide au cours des cycles redox

Fracture of porous ceramics : application to the mechanical degradation of solid oxide cells during redox cycling

• Auteur / Autrice : Amira Abaza
• Direction : Jérôme Laurencin, Sylvain Meille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 30/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des technologies des nouveaux matériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Rafael Estevez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Leguillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henrik Lund Frandsen, Guilhem Dezanneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Mots clés libres

Céramiques poreuses

Rupture

Méthode par champ de phase

Micro-Compression

Porous ceramics

Fracture

Phase field method

Micro-Compression

Résumé

Cette thèse a été dédiée au développement d'un outil numérique pertinent pour prévoir la rupture des céramiques poreuses telles que les électrodes des cellules à oxyde solide. Pour ce faire, la méthode dite par champ de phase (PFM) a été adoptée. Cette méthode permet de tenir compte des caractéristiques des microstructures complexes des électrodes. En raison du manque de données des propriétés à rupture de la zircone poreuse stabilisée à l'yttrium (YSZ), des caractérisations micromécaniques ont été réalisées afin de fournir des résultats expérimentaux pour la validation du modèle. Un protocole dédié depuis la fabrication et la compression de l'échantillon jusqu'à la caractérisation post-mortem a été développé. La contrainte à rupture en compression a été mesurée en fonction de la porosité. Une transition dans le mode de rupture d’un comportement fragile à un endommagement diffus a été détecté avec l’augmentation de la porosité. En outre, la capacité du modèle PFM à prévoir précisément l’amorçage d’une fissure, notamment quand la rupture est contrôlée par un critère mixte en énergie et contrainte a été validée. Pour ce faire, les simulations par la méthode par champ de phase ont été comparées aux prédictions obtenues par le critère couplé sur des géométries idéales. De plus, il s’est avéré que le paramètre de régularisation introduit dans le modèle PFM contient les informations sur les propriétés à rupture du matériau et dépend du type de la géométrie locale à partir de laquelle la fissure s’amorce. La pertinence du modèle PFM à prévoir la rupture dans des microstructures réelles de céramiques poreuses a été ensuite évaluée en simulant la ténacité apparente et la contrainte à rupture en compression en fonction de la porosité. Un bon accord avec les résultats expérimentaux a été obtenu validant ainsi le modèle PFM. Finalement, pour illustrer la capacité du modèle PFM à étudier l’endommagement mécanique des électrodes poreuses des cellules à oxyde solide, la microfissuration du squelette zircone induite par la réoxydation du Ni a été simulée. Le degré de réoxydation critique a été calculé sur deux cermets typiques en Ni-3YSZ et Ni-8YSZ. Cette étude a montré que le modèle PFM est un outil efficace pour analyser l’effet des caractéristiques des matériaux et de leurs microstructures sur la tolérance du cermet à la réoxydation, et plus généralement, sur la robustesse mécanique des électrodes à base de céramiques poreuses.

This thesis was dedicated to the development of a relevant numerical tool to predict the fracture in 3D porous ceramics such as the electrodes of Solid Oxide cells (SOCs). For this purpose, the so-called phase-field method (PFM) was adopted. Indeed, this model offers many advantages to take into account the characteristics of real complex electrode microstructures. Because of the lack of fracture properties data on porous Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ), micro-mechanical characterizations were carried out to provide experimental results for the model validation. A dedicated protocol from the specimen fabrication and compression up to post-mortem characterization was developed. The compressive fracture strength was measured as a function of porosity and a transition in the fracture mode from a brittle behavior to diffuse damage was detected when increasing the porosity. Moreover, the capacity of the PFM model to accurately predict the crack initiation when the fracture is controlled by a mixed stress-energy criterion was validated. For this purpose, the PFM simulations were compared to the well-established predictions given by the coupled criterion on ideal geometries. Besides, the regularization length scale parameter in the PFM model formulation was found to contain information on the material fracture properties and to depend on the type of the local geometry from which the crack initiates. The relevance of the PFM model to predict the fracture in real porous ceramic microstructures was then assessed by simulating the apparent fracture toughness and the compressive fracture strength as a function of porosity. A good agreement with experimental data was obtained, thus validating the PFM model. Finally, as an illustration of the PFM capability to study the mechanical damage of porous SOCs electrodes, the YSZ skeleton micro-cracking induced by the Ni re-oxidation was simulated. The critical degree of oxidation was calculated considering two typical cermets (Ni-3YSZ and Ni-8YSZ). From this study, the PFM model appears as an efficient tool to analyze the effect of material and microstructural properties on the cermet redox tolerance and, more generally, on the mechanical robustness of porous ceramic-based electrodes.