Simulations 2D et 3D de microstructure d'alumine projetée plasma pour l'étude de ses propriétés mécaniques et électriques.

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Amsellem, Olivier (2008) Simulations 2D et 3D de microstructure d'alumine projetée plasma pour l'étude de ses propriétés mécaniques et électriques. Doctorat Sciences et Génie des matériaux, MAT - Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP p.189.

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Résumé

L’alumine est un matériau réputé pour ses propriétés d’isolation électrique. Elle est utilisée dans les sondes géologiques qui mesurent la résistivité des roches. Le contexte pétrolier incite les sociétés telles que Schlumberger à développer de nouvelles générations de revêtement dont certains en alumine. Ils sont obtenus par le procédé de projection plasma qui génère dans la structure des fissures et des pores interconnectés. Ce réseau caractérise la porosité de la céramique et dégrade plus ou moins les propriétés des revêtements.

Ce travail de thèse propose l’étude d’une gamme de revêtements d’alumine réalisés par projection plasma. Il définit le revêtement d’alumine comme un composite présentant deux phases : la matrice céramique et la porosité. Tout d’abord, une analyse bidimensionnelle classique (employant la microscopie électronique à balayage) a été comparée à une analyse tridimensionnelle (employant la microtomographie) pour déterminer la nature, l’orientation et la répartition des phases :

-l'analyse 2D de la microstructure des dépôts a permis de différencier les matériaux en fonction de leur méthode d'élaboration. Nous avons élaboré des composites « alumine-défauts » avec différentes densités surfaciques de pores et de fissures. Pour la co-projection, des composites présentant une matrice d'alumine-verre ont été élaborés. Un post-traitement par laser à excimère a généré des matériaux possédant des propriétés de surface différentes. Enfin, les techniques d'imprégnation ont produit des composites présentant une matrice d'alumine, une porosité remplie de résine ou de phosphate d'aluminium et une porosité non remplie.

-l’analyse par microtomographie synchrotron a permis uniquement de caractériser les pores dans les composites. L’étude a montré leur orientation parallèle à la direction de projection et leur morphologie plutôt filaire dans les revêtements d’alumine. De plus, cette technique a mis en évidence les changements de morphologie et de répartition des pores dans une matrice d’alumine-verre ayant subi des traitements thermiques ou bien dans les surfaces traitées par laser.

Toutes ces informations complémentaires ont permis de mettre en place une simulation des propriétés mécaniques et électriques fonction des caractéristiques microstructurales. Les mesures d’impédance en milieu liquide ont défini les microstructures composites par des schémas électriques équivalents. Cette mesure s’est révélée être une méthode expérimentale propre à définir les connexions de la porosité. Elle a permis de comparer les composites. Enfin, à partir des images 2D et 3D, une simulation numérique par éléments finis de microstructures réelles a permis de calculer les propriétés élastiques et diélectriques des composites. Ces simulations ont permis d’établir le lien entre microstructures et propriétés des dépôts. Elles semblent très prometteuses pour établir les conditions d’élaboration des revêtements en fonction des propriétés souhaitées.

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