Synthèse, caractérisation microstructurale, propriétés mécaniques et de transport électronique de solutions solides Ti2AlCxNy et des composés Ti2AlC et Ti2AlN

Synthesis, microstructural characterization, mechanical and transport properties of Ti2Al(CxNy) solid solutions and their relative end-members

• Auteur / Autrice : Wenbo Yu
• Direction : Sylvain Dubois, Véronique Gauthier-Brunet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 16/06/2014
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Thierry Cabioc'h
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Dubois, Véronique Gauthier-Brunet, Vincent Mauchamp, Shibo Li, Thierry Ouisse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Vrel, Luc Piraux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoindentation

Champs magnétiques

Microstructure (physique)

Compression isostatique à chaud

Solutions solides

Mots clés libres

Phases MAX

Solutions solides

Compression isostatique à chaud

Microstructure

Lacune

Nanoindentation

Anisotropie

Résistivité électrique

Constante de Hall

Magnétorésistance

MAX phases

Solid solution

Hot isostatic pressing

Microstructure

Vacancy

Nanoindentation

Anisotropic

Electrical resistivity

Hall constant

Magnetoresistance

Résumé

Les travaux exposés dans cet ouvrage décrivent la synthèse, la caractérisation microstructurale et les propriétés physiques de solutions solides nanolamellaires des phases MAX. Les phases Mn+1AXn (M : métal de transition, A : un métal des groupes IlIA ou IV A, et X: carbone ou azote) constituent une famille de nitrures et de carbures ternaires (n = 1 à 3), qui possèdent les meilleures propriétés des métaux et les meilleures propriétés des céramiques.Lors d'une première étape, nous nous concentrons sur la synthèse de solutions solides pures et denses de Ti2AICxNy par compression isostatique à chaud. Les variations des paramètres de maille sont étudiée et discutée an fonction du taux de substitution (carbone-azote) et du taux de lacune (sur le site X). Lors d'une seconde étape, nous étudions les propriétés mécaniques et les propriétés de transport électronique des solutions solides Ti2AICxNy et des phases Ti2AICx et Ti2AINy. La technique de nanoindentation pour déterminer la dureté et le module élastique en fonction du taux de substitution et de lacune. Nous démontrons que la substitution conduit à une amélioration des propriétés mécaniques tandis que l'introduction de lacune conduit à une détérioration de ces propriétés. La résistivité électrique augmente lorsque des lacunes et/ou un effet de substitution sont introduits. Dans le cas de la substitution, nous démontrons que le désordre introduit est faible et que seule la diminution du temps de relaxation explique l'augmentation de la résistivité (interaction électron-phonons). Dans le cas de l'introduction de lacunes, nous montrons que ces dernières conduisent à une modification du temps de relaxation et probablement à une modification de la densité de porteurs.Enfin, l'anisotropie des propriétés de transport électronique a été mise en évidence par des mesures de résistivité réalisée avec le courant électrique circulant dans le plan de base et avec le courant électrique circulant selon l'axe c. Nous démontrons les propriétés de transport dans le plan de base peuvent être comprises en utilisant un modèle à une bande et un mécanisme de conduction assuré par des électrons ayant le comportement de trous.

The work discussed in this thesis concerns the synthesis, the microstructural characterization and the physical properties of nanolaminated MAX phase's solid solution. The Mn+1AXn phases (M: transition metal, A: IlIA or IV A group element, and X: either carbon or nitrogen) are a class of ternary nitrides and carbides (n=l to 3), which possess sorne of the best properties ofmetal and sorne of the best properties of ceramics.In a first step, we focus on the synthesis of highly pure and dense Ti2AICxNy solid solutions by hot isostatic pressing. The influence of the substitution of C atoms by N atoms and the influence of vacancy content on the solid solution lattice parameters is discussed. In a second step, we investigate the mechanical and transport properties of Ti2AICxNy solid solutions and oftheir related Ti2AICx and Ti2AINy end-members. Hardness and elastic modulus has been studied using nanoindentation tests. It is demonstrated that sol id solution effect leads to a hardening effect whereas the presence vacancy leads to a softening effect. The electrical resistivity is shown to increase with vacancy content and substitution rate. Such an effect is discussed in terms of disorder and relaxation time variation. Finally, the anisotropic transport properties of MAX phases is studied and discussed. The anisotropy of transport properties has been evidenced by direct measurement of the resistivity along the basal plane and along the c-axis. It is demonstrated that transport property in the basal plane can be understood in the framework of a single band model with hole-like states as charge carrier.