a soutenu sa thèse le 14 janvier 2016.
Élaboration de nanocomposites céramiques carbures/nitrures à partir de polymères précéramiques
Préparée au sein de l’école doctorale Sciences Chimiques Balard et de l’Unité de recherche Laboratoire Institut Européen des Membranes
Spécialité : Chimie et physico-chimie des matériaux
devant le jury composé de :
- Mr. Samuel Bernard, HDR, Chargé de recherche CNRS, IEM (Montpellier) – Dir. de thèse
- Mr. Philippe Miele, Professeur ENSCM, IEM (Montpellier) – Co-encadrant
- Mr. Fabrice Rossignol, Directeur de recherche CNRS, SPCTS (Limoges) – Rapporteur
- Mr. Francis Teyssandier, Directeur de recherche CNRS, PROMES (Perpignan) – Rapporteur
- Mr. Xavier Deschanels, HDR, Ingénieur-Chercheur, CEA, ICSM (Marcoule) – Examinateur
- Mr. Hubert Mutin, Directeur de recherche CNRS, ICG (Montpellier) – Examinateur
- Mr. Éric Lafontaine, HDR, DGA/DS/MRIS (Paris) – Invité
Résumé :
Dans le cadre de ce travail, une méthode chimique, la voie « polymère précéramique », a été mise en oeuvre pour générer des (nano)composites céramiques à matrice de carbure, carbonitrure et nitrure de silicium et contenant des (nano)cristaux à base de métaux de transition (Ti ou Zr). Ces matériaux ont été préparés sous forme d’objets massifs. Cette thèse consiste tout d’abord en un premier chapitre de bibliographie décrivant les (nano)composites, la méthode de préparation mise en oeuvre dans ce manuscrit ainsi que les matériaux visés et leur application, principalement dans le domaine de l’énergie nucléaire et solaire à concentration. L’étude consiste dans un deuxième chapitre à décrire les méthodes de synthèse mises en jeu dans notre étude ainsi que les différentes techniques de caractérisation mises en oeuvre pour caractériser les précurseurs de départ, les matériaux au cours de leur élaboration et les matériaux finaux. Le chapitre III s’est intéressé à l’élaboration des (nano)composites autour du système Si-C-Ti, pouvant notamment entrer dans la composition de gaines à combustible au sein des réacteurs nucléaires à fission de génération IV. Ces matériaux ont été élaborés à partir de mélanges de nanopoudres à base de titane et d’un polycarbosilane hyperbranché, l’allylhydridopolycarbosilane (AHPCS). Les nanopoudres à base de titane jouent le rôle de charges passives/actives dans l’AHPCS pour s’opposer au retrait volumique que subit le polymère lorsque celui-ci est pyrolysé sous argon à 1000°C. Des objets massifs sont élaborés par moulage. Une étude détaillée du comportement à la pyrolyse des différentes formulations est faite et les matériaux finaux ont été caractérisés structuralement. Une étude préliminaire en implantation hélium de ces matériaux est réalisée. Dans le chapitre IV, nous nous sommes intéressés au même système en travaillant plus particulièrement la chimie de polymères précéramiques. L’objectif a été de synthétiser des polymères dit à « source unique » (=polytitanocarbosilanes) qui, par des traitements thermiques appropriés, conduisent à des (nano)composites dans lesquels des nanocristaux de carbure de titane (nc-TiC) sont dispersés dans une phase amorphe ou cristallisée de carbure de silicium sans phases secondaires comme dans l’approche détaillée au chapitre III. Ces polymères ont été synthétisés pour être adaptés à la conception d’objets massifs par compactage à chaud puis traitement thermique des compacts polymères. Les matériaux finaux ont alors été caractérisés par différentes techniques afin de sélectionner les paramètres opératoires, allant de la synthèse des polymères à leur conversion en céramique, conduisant aux (nano)composites souhaités (e.g. matrice amorphe de carbure de silicium) avec les propriétés visées (e.g. comportement sous implantation hélium). Dans un cinquième chapitre, l’étude est plus fondamentale et vise à suivre la même démarche de chimiste que le chapitre IV pour synthétiser des polymétallo(carbo)silazanes qui sont des précurseurs des systèmes carbonitrures et nitrures de type Si-N-M-(C) (M = Ti, Zr). Une étude de l’effet de la nature du polymère sur les propriétés des (nano)composites est notamment entreprise par RMN du solide, analyse thermogravimétrique et diffraction des rayons X. Une étude préliminaire d’application de ces matériaux en énergie solaire à concentration est proposée.
Abstract:
In the present work, the Polymer Derived Ceramics (PDCs) route has been investigated to prepare silicon carbide (SiC), silicon carbonitride (SiCN) and silicon nitride (Si3N4) matrix (nano)composites in which transition metal-containing (nano)phases (Ti or Zr) are distributed. This approach has been applied to produce bulk materials. In the first chapter, we develop a literature review on the definition and the different types of nanocomposites, the different strategies to prepare them with a particular focus on the PDCs route and the targeted applications in the nuclear and concentrating solar system energy field. In a second chapter, the synthesis experimental protocols and the various methods to characterize the materials at each step of their preparation have been described. The third chapter focuses on the Si-C-Ti compositional system which displays potential to be used in the fuel cladding of the 4th generation of nuclear fission reactor. The precursors are prepared by mixing titanium (Ti)-based nanofillers and a hyperbranched polycarbosilane named allyhydridopolycarbosilanes (AHPCS) to be cast into a green compact then pyrolyzed to generate bulk (nano)composites which represent multiphase materials according to the composition of the nanofillers. In particular, the active behavior of Ti nanopowders into the AHPCS significantly limit the volume shrinkage of the polymer during its pyrolysis at 1000°C under argon to form (nano)composites composed of titanium carbide, titanium silicide and silicon carbide phases. Their structure has been investigated in details and a preliminary study on helium implantation has been done on these materials. In the chapter IV, we considered the same system. Here, our objective was to focus on the chemistry of preceramic polymers to prepare single-source precursors called polytitanocarbosilanes. We investigated their chemistry and structure by solid-state NMR as well as their pyrolysis behavior by thermogravimetric analyses up to 1000°C under argon. Amorphous materials were generated at 1000°C. Titanium carbide nanocrystals precipitated during a further heat-treatment up to 1600°C in a silicon carbide matrix. Dense pieces were prepared by warm-pressing of polytitanocarbosilanes followed by pyrolysis of the green compact. Helium implantation tests have been done and compared with the results gained in chapter 3. In the fifth chapter, we followed the same strategy, with a more fundamental aspect, for (nano)composites prepared in the Si-N-M-(C) (M=Ti, Zr). The effect of the polymetallocarbosilazane formulation on the (nano)composite properties has been investigated by solid-state NMR analysis, thermogravimetric analysis and X-ray diffraction. The structural evolution of these materials has been investigated up to 1600°C under ammonia and nitrogen atmosphere. The final materials represent nanocomposites of the type nc-TiN/a-Si3N4 with nc, nanocrystals and a being amorphous after a pyrolysis at 1400°C. By increasing the temperature up to 1600°C, the matrix crystallized. The effect of zirconium instead of titanium has been investigated. A preliminary study on the potential of these materials as solar absorber for concentrating solar power (CSP) is reported.
