Ce travail de thèse est consacré à la conception et à la fabrication de diodes JBS en carbure de silicium. Une première partie de ce travail a consisté à concevoir par simulation une protection périphérique de la diode la plus efficace possible en réduisant sa sensibilité à la technologie (charges dans l’oxyde et activation des dopants). L’impact de la géométrie de l’anode de la diode JBS sur le champ électrique maximum sous le contact Schottky en inverse et la résistance série de la diode à l’état passant a été étudié. Une nouvelle architecture de diode JBS, à base de tranchées implantées, a été proposée pour pallier les limitations liées aux faibles profondeurs d’implantation d’Al. Une deuxième partie de ce travail a concerné le développement de briques technologiques, indispensables à la fabrication de la diode JBS, tels que les contacts métalliques et la gravure. Enfin, la fabrication complète et la caractérisation électrique de diodes ont été réalisées afin de valider les éléments de conception et l’intégration des briques technologiques développées durant cette thèse. / This study was dedicated to the design and to the fabrication of SiC JBS diodes. The first part of this work includes the design of robust efficient edge termination of the diode with special care to its technology sensitivity. The impact of anode layout of JBS diode on the maximum electric field under Schottky contact and on the on-state resistance has been investigated. A new structure of JBS diode, trenched and implanted, has been proposed to overcome the low Al implantation depth. A second part of this work has been focused on the development of technological steps required for the fabrication of JBS diodes such as metal contact and SiC etching. Finally, full fabrication and electrical characterization of diodes have been carried out in order to validate the design and the integration of technological steps developed during this thesis work.

Le polytype cubique du carbure de silicium (3C-SiC) est un matériau très prometteur pour les applications MEMS. En plus de sa tenue mécanique et chimique, il peut être épitaxié sur des substrats Si de faible coût. De plus, l'hétéroépitaxie multiple, c’est-à-dire quand on empile plusieurs couches Si et 3C-SiC peut ouvrir des pistes pour de nouveaux dispositifs à base de 3C-SiC. Vue la complexité de développer de telles hétérostructures, nous avons procédé à l'amélioration de la qualité de chaque couche séparément. De plus, nous avons mené une étude approfondie sur la nature des défauts dans chaque couche. Après le développement de l'hétérostructure complète, nous avons procédé à la fabrication de microstructures à base de cet empilement. Nous présentons une méthode inédite pour former des membranes de 3C-SiC auto-supportées. Cette technique simplifie considérablement le procédé de fabrication de membranes tout en réduisant le temps de fabrication et le coût. En outre, elle aide à surmonter plusieurs problèmes techniques. / Due to its outstanding physico-chemical properties, the cubic polytype of silicon carbide (3C-SiC) gained significant interest in several fields. In particular, this material emerged as a potential candidate to replace Si in MEMS devices operating in harsh environment. The development of 3C-SiC/Si/3C-SiC heterostructures on top of Si substrate can pave the road towards original and novel MEMS devices profiting from the properties of the 3C-SiC. However, such epitaxial system suffers from wide range of defects characterizing each layer. Thus, we first tried to improve the quality of each layer in this heterostructure. This was achieved relying on two levers; (i) the optimization of the growth parameters of each layer and (ii) the understanding of the nature of defects present in each layer. These two key points combined together allowed an in-depth understanding of the limit of improvement of the overall quality of this heterostructure. After the development of the complete heterostructure, the fabrication of 3C-SiC microstructures was performed. Furthermore, we presented an unprecedented method to form free-standing 3C-SiC membranes in-situ during its growth stage. This novel technique is expected to markedly simplify the fabrication process of suspended membranes by reducing the fabrication time and cost.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet CNES-PERSEUS. L’objectif principal est l’étude et la caractérisation d’un béton réfractaire à base de carbure de silicium, avec une taille maximale d'agrégats de 800 microns, dans un environnement de type propulsion hybride. Le col de la tuyère doit résister à un environnement très oxydant, produit par la combustion de polyéthylène solide et de protoxyde d’azote liquide, avec des températures statiques de gaz qui peuvent atteindre 2800K. L’étude est divisée en trois parties : une caractérisation thermomécanique du matériau jusqu’à 1500K ; une étude du comportement à l’oxydation en atmosphère standard, sous un flux solaire maximal de 15 MW/m2 ; des tests au banc avec un moteur hybride à l'ONERA, sur des tuyères conçues et réalisées au laboratoire ICA. Le frittage et la céramisation du microbéton engendrent une densification du matériau et le passage de liaisons de type hydrauliques à des liaisons de type covalentes et ioniques, avec augmentation du module d'élasticité et de la contrainte à la rupture à haute température. Ce matériau présente un comportement visco-élastique-plastique aux hautes températures : il reste majoritairement élastique linéaire jusqu'à la température de stabilisation du matériau, puis une composante viscoplastique apparaît, provoquée par la formation de phases liquides à partir de la matrice cimentaire. Les tests d’oxydation à haute température ont été menés au laboratoire PROMES-CNRS, sur une installation solaire de 2 kW, permettant d'appliquer à un flux maximal de 15 MW/m2. Des observations MEB, en microscopie optique et des analyses EDS ont été menées pour étudier les évolutions microstructurales et la cinétique d’oxydation du matériau. Les tests d’oxydation à 15 MW/m2 ont montré des vitesses d'érosion maximales de l'ordre de 5 microns/s pour une température de 2800 K. L'érosion est générée par l'oxydation active et par la sublimation du carbure de silicium. L'oxydation active se développe à partir de 2100 K, avec formation de SiO et CO gazeux. La sublimation du carbure de silicium, à partir de 2600-2700 K, entraine la formation de Si, Si2C et SiC2 gazeux. Les essais menés sur les tuyères montrent une bonne résistance du matériau après 20 secondes de tir. Une vitesse d'ablation moyenne proche de 60 microns/s a été observée au col de la tuyère. Le comportement thermo-élastique-ablatable a été modélisé tout d'abord sur la base d'une géométrie cylindrique multicouche, puis étendue au cas de la tuyère expérimentale testée au banc d'essai. / This research is part of the PERSEUS project, a space program concerning hybrid propulsion and supported by CNES. The main goal of this study is to characterize a silicon carbide based micro-concrete with a maximum aggregates size of 800 microns, in a hybrid propulsion environment. The nozzle throat has to resist to a highly oxidizing polyethylene/N2O hybrid environment, under temperatures ranging from room temperature up to 2800K. The study is divided in three main parts: the first one deals with the thermo-mechanical characterization of the materials up to 1500K, the second one with an investigation on the oxidation behaviour in a standard atmosphere, under a solar flux up to 15 MW/m2, the last part deals with the conception, the realization and the test of three nozzles in a hybrid rocket motor at ONERA. Elastic modulus was determined by resonant frequency method: results show an increase with the stabilisation temperature. Four points bending tests have shown a rupture tensile strength increasing with stabilization temperature, up to 1500 K. Sintering and ceramization process are primary causes of this phenomenon. Visco-plastic behaviour appears at 1400 K on a material staiblized at the same temperature, due to the formation of liquid phases in cement ternary system. High-temperature oxidation in air was carried out at PROMES-CNRS laboratory, on a 2 kW solar furnace, with a maximum solar flux of 15 MW/m2. Optical microscopy, SEM, EDS analyses were used to study the microstructure evolution and the mass loss kinetics, with a maximal erosion speed of 5 microns second. During theses tests, silicon carbide undergoes active oxidation at 2100 K, with production of SiO and CO smokes and ablation. SiC sublimation is observed since 2600-2700 K, with Si, Si2C and SiC2 vapour generation. Test performed on nozzle in hybrid rocket motors at ONERA, showed an average ablation speed at nozzle throat of 60 microns second, after 20 seconds of test. Thermo-elastic-ablative behaviour has been modelled using first composite cylinder geometry, and then it has been extended to the experimental nozzle geometry, tested on the test bench.

Le Carbure de Silicium (SiC) va permettre de repousser les limites des convertisseurs dans trois directions : tenue en tension élevée, haute température de fonctionnement et forte vitesse de commutation. Aujourd’hui, les premiers modules MOSFET SiC sont disponibles sur le marché et semblent prometteurs. L’objectif de ces travaux de thèse consiste plus particulièrement à mettre en œuvre des montages permettant de caractériser ces premiers modules de puissance MOSFET SiC en vue de les utiliser dans les convertisseurs ferroviaires. Le premier chapitre est consacré à l’état de l’art d’une chaîne de traction de Tramway. C’est ce type de chaîne de traction sur lequel se concentrent les études des premières implantations de composants en SiC. Le deuxième chapitre présente un état de l’art des composants semi-conducteurs de puissance en SiC. Il rappelle tout d’abord les propriétés du matériau et détaille ensuite différentes structures de composants en SiC. Le troisième chapitre concerne les modélisations et les simulations de modules de puissance MOSFET SiC au sein d’une cellule de commutation. Les phases de commutation de ces composants sont étudiées en détail, les influences de différents paramètres sont mises en évidence et des simulations multi-physiques permettent de concevoir les bancs d’essais nécessaires à la caractérisation. Le quatrième chapitre présente les résultats des caractérisations statiques et dynamiques de modules de puissance MOSFET SiC. Ces résultats d’essai sont comparés à des modules IGBT Si de même calibre. Le cinquième chapitre est consacré à la mise en œuvre d’un banc d’essai utilisant la « méthode d’opposition ». Celui-ci permet de comparer les modules IGBT Si et les MOSFET SiC en fonctionnement onduleur grâce à des mesures électriques et calorimétriques. Le sixième et dernier chapitre présente des conclusions et donne des perspectives d’utilisation des composants MOSFET SiC dans les convertisseurs ferroviaires. Différents projets visant à utiliser des MOSFET SiC sur des applications ferroviaires y sont présentés. / Silicon Carbide (SiC) technology is pushing the limits of switching devices in three directions: higher blocking voltage, higher operating temperature and higher switching speed. Nowadays, samples of Silicon Carbide (SiC) MOSFET modules are available on the market and seem promising. The aim of the thesis is to characterize these first power modules thanks to dedicated test beds in order to use them in railway converters. The first chapter focuses on the state of the art of Tramway traction chain. It is this type of traction chain which is the target application of these SiC components. The second chapter presents a state of the art of the SiC devices. First, we recall the material properties and then we detail different structures of SiC components. The third chapter concerns modelling and simulations of SiC MOSFET power modules within a commutation cell. The switching phases of these components are studied in detail and the influences of various parameters are highlighted. Multi-physicals simulations allow designing test benches necessary for the characterization. The fourth chapter presents the results of static and dynamic characterizations of SiC MOSFET power modules. The test results are compared with Silicon IGBT modules of the same rating. The fifth chapter is dedicated to the achievement of a test bench based on the "opposition method". This test bench allows comparing Si IGBT and SiC MOSFET modules in a voltage source inverter (VSI) operation by using electrical and calorimetric measurement methods. The sixth and last chapter presents conclusions and provides outlook for SiC MOSFET components in railway converters. Different projects targeting to use SiC MOSFET on railway applications are presented.

Le graphène est un plan unique d'atomes de carbone formant une structure en nid d'abeilles. Dans le cas idéal, le graphène possède des propriétés physiques étonnantes résultant de sa structure électronique en « cône de Dirac ». En particulier, la mobilité électronique dans le graphène est exceptionnelle ce qui ouvre des perspectives pour les transistors futurs. Dans cette thèse notre objectif est de tester les propriétés et les performances de transistors réalisés sur graphène à l'aide d'une technologie compatible CMOS. Depuis 2004, il est connu qu'on peut obtenir ce matériau bidimensionnel à partir de la graphitisation du carbure de silicium (SiC). C'est cette technique qui a été utilisée ici. Parmi les résultats obtenus, nous présenterons en particulier une méthode innovante pour déterminer le nombre de couches de graphène. Nous détaillerons la technologie d'intégration mise au point, avec la réalisation de transistors à canal court et étroit. Nous montrerons les caractéristiques obtenues. La mobilité électronique mesurée est à l’état de l’art international. Nous analyserons également le rôle du diélectrique de grille sur la qualité des performances. / Graphene consists of a single atoms plane reorganized in honeycomb lattice. Ideal graphene has astonishing properties coming from his electronic structure in Dirac cone. One of these properties is an exceptional mobility indispensable for future transistors. In this work, our objective is to evaluate properties and performance of transistors based on graphene. These transistors are fabricated by using a CMOS-like integration. Since 2004, graphene can be obtained via sublimation of silicon carbide substrate. We used this technique to study graphene. We will present a particular method to enumerate the number of layer obtained in surface and the integration choosen to obtain short and thin transistors. We will show electrical characteristic obtained. The charge carrier mobility measured is similar to the state of the art. An analysis of the gate dielectric is also presented.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre des recherches menées sur les matériaux envisagés pour servir dans les réacteurs nucléaires du futur. Parmi ces matériaux, se trouve le carbure de silicium qui est envisagé comme matériau d'enrobage et de gainage du combustible dans les réacteurs à fission ou comme matériau face au plasma ou constituant les couvertures tritigènes dans les réacteurs à fusion (concept DEMO). Des échantillons de β-SiC ont été frittés par Spark Plasma Sintering. Deux gaz rares abondamment produits en réacteur, le xénon et l'hélium, ont été implantés dans SiC à température ambiante et à plusieurs fluences (Φ1 Xe = 5.1015 at.cm-2 et Φ2 Xe = 1.1017 at.cm-2 pour le xénon et Φ1 He = 5.1015 at.cm-2, Φ2 He = 1.1017 at.cm-2 et Φ3 He = 1.1018 at.cm-2 pour l'hélium). Les échantillons irradiés en xénon ont ensuite été recuits à différentes températures (400 °C, 700 °C et 1000 °C). Une amorphisation complète du matériau a été observée pour toutes les fluences sauf Φ1 He (dpamax = 0,2) ainsi qu'une oxydation notable pour les plus hautes fluences. Un seuil de concentration de formation de bulles dans SiC a pu être déterminé pour l'hélium et le xénon. La coalescence de ces bulles à forte concentration s'est traduite par la formation de cloques sur la surface dans le cas de l'implantation à Φ3 He. A Φ2 Xe, des bulles de plusieurs centaines de nanomètres se sont formées dans la phase oxyde (SiO2 amorphe) alors que la coalescence reste très limitée au sein de la phase SiC résiduelle (nanobulles). Aucun relâchement des espèces implantées n a été mesuré jusqu'à une fluence de 1017 at.cm-2. A Φ3 He, un relâchement important d'hélium s'est produit pendant l'implantation, ce qui indique un effet de saturation dans le matériau. Après traitement thermique à 1000 °C, un relâchement conséquent du xénon contenu initialement dans la phase oxyde a été mesuré alors que le xénon contenu dans la phase SiC semble mieux retenu / This work is part of studies on the proposed materials to be used in future nuclear reactors. Among these materials is silicon carbide, which could be used as a cladding or coating material for the fuel in fission reactors, or as a constituent of plasma facing component or breeding blankets in fusion reactors (DEMO concept). β-SiC samples were synthetized by spark plasma sintering. Two rare gases abundantly produced in reactor, xenon and helium, were implanted in SiC at room temperature and at several fluences (Φ1 Xe = 5.1015 at.cm-2 and Φ2 Xe = 1.1017 at.cm-2 for xenon, Φ1 He = 5.1015 at.cm-2, Φ2 He = 1.1017 at.cm-2 and Φ3 He = 1.1018 at.cm-2 for helium). Xenon irradiated samples were then annealed for two hours at different temperatures (400 °C, 700 °C and 1000 °C). A complete amorphization of the material is observed for all fluences except for Φ1 He (maximum dpa level ≈ 0.2). A significant oxidation is observed for the highest fluences. A threshold concentration for bubble formation has been determined for both species. Bubble coalescence at high concentration results in the surface blistering at Φ3 He. Bubbles of several hundred nanometers were formed in the oxide phase (SiO2) after irradiation at Φ2 Xe, while remaining SiC islands are less subject to coalescence (nanometric bubbles). No gas release could be demonstrated up to a fluence of 1017 at.cm-2. For Φ3 He = 1018 at.cm-2, a significant helium release occurs that could indicate a saturation effect within the material. During thermal treatment at 1000 °C, xenon is retained by carbide phase and highly released by oxide phase

Le principal défi auquel sont confrontés aujourd'hui les équipementiers aéronautiques est d'augmenter l'utilisation des systèmes électriques à bord de l'avion. De nos jours, le remplacement des systèmes hydrauliques par des actionneurs électriques conduit à placer les systèmes électriques dans un environnement hostile, par exemple dans la nacelle du moteur. L'équipement est soumis à des contraintes sévères telles que des températures élevées et basses, un cycle thermique étendu, une humidité élevée et une basse pression. En conséquence, des efforts doivent être faits pour réduire le poids et le volume du convertisseur de puissance sans perdre ses performances. Pour atteindre cet objectif, la conception de modules de puissance doit permettre un haut niveau d'intégration, d'efficacité et de fiabilité. On s’intéresse en particulier aux dommages causés par la fatigue qui ont une influence significative sur les performances électriques de ces modules. Les tests de performance liés à la fatigue restent des efforts coûteux pour l'équipement aéronautique. Un nombre fini de tests destructifs, par vieillissement accéléré, peut être effectué pour un nombre assez faible de configurations. Le but de ces tests est d'étudier les modes de défaillance apparaissant lors du vieillissement accéléré. Par conséquent, des simulations numériques ont été envisagées, facilement évolutives et utilisables pour un grand nombre de configurations, mais nécessitant des données d'essais expérimentaux. Dans ce manuscrit, quelques modes de défaillances sont étudiés. On propose une méthode numérique intégrant les contraintes principales dans les équipements, à savoir la simulation électrique, thermique et mécanique. Ces trois problèmes physiques ont des temps caractéristiques différents et sont fortement couplés avec un comportement non trivial. Pour optimiser l'utilisation des ressources et avoir une représentation pertinente du problème, un procédé couplé électrique 1D / thermique 3D / mécanique 3D a été implémenté sur un bus de cosimulation. Différents pas de temps, différents niveaux d'abstraction et différentes compétences sont utilisés pour fournir un modèle multiphysique de modules de puissance. / Today’s main challenge for aeronautical equipment manufacturers is to respond to the more electrical aircraft regulations. Moreover, there are many applications in aircraft area where high temperature technologies are needed. Nowadays, the replacement of hydraulic systems for electric ones leads to place the power inverters in a harsh environment, for example in the engine nacelle. The equipment is under high constraints such as high and low temperatures, wide temperature cycling, high humidity and low pressure. Combined to these environmental constraints, the new aircraft system is submitted to weight and operating cost reduction. As a consequence, efforts shall be done to reduce weight and volume of the power converter without losing its performance. To reach such a goal, the design of the converter must enable a high level of integration, efficiency and reliability. In particular, fatigue damage has a significant influence on such modules electrical power performance. And fatigue-related performance testing remains a costly endeavor for aeronautical equipment. A finite number of destructive tests can be carried out in specific facilities for a fairly low number of configurations. The purpose of these destructive tests is to investigate the failure modes appearing regarding this accelerated ageing. Therefore numerical simulations have been envisaged since non-destructive, easily evolving and usable for a high number of configurations, though needing data from experimental assays. In this study, we propose a method dealing with the main constraints for such equipment, i.e. electrical, thermal and mechanical simulation. Those three physical problems have different characteristic time and are strongly coupled with a non-trivial behavior. To optimize the resources usage and have a relevant representation of the problem, a 1D electrical / 3D thermal / 3D mechanical coupled method has been implemented over a co-simulation bus. Different time steps, different abstraction levels and different skills are used to provide predictions of the multiphysical fatigue behavior of power modules.

Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre / This thesis deals with the optimal design of electric drivetrains. A drivetrain for metro is taken as an example. The input data for the design are the expected performance and the size of the required equipments.To assist the designer, the computing tool now gives the opportunity to build different sort of models. In addition, optimization algorithms allow finding optimal configurations. This work is an attempt to exploit these possibilities. The design models are used to value a large number of criteria. Through the example of these models, the design method followed is detailed in the document. From a technical point of view, the proposed drivetrain is detailed in the last chapter

Les matériaux céramiques sont des composants incontournables dans les blindages antibalistiques multicouches. Leur faible densité, typiquement deux à trois fois inférieure à celle de l’acier, combinée à une très haute résistance en compression les rends essentiel pour des applications d’armures légères. Le carbure de silicium est un matériau prometteur pour cette application en raison de sa faible densité et de sa dureté élevée en comparaison des autres céramiques. L’étude du lien entre la microstructure du matériau et son processus de fragmentation pendant l’impact est une étape importante afin d’optimiser les céramiques pour les applications de protection balistique.Quatre nuances de carbure de silicium denses avec différentes microstructures ont été étudiées, dont trois élaborées au cours de ces travaux. Pour cela, deux modes de frittage ont été utilisés (frittage en phase solide et frittage en phase liquide) ainsi que deux procédés de frittage (frittage naturel et frittage flash). Un soin particulier a été porté aux diverses étapes de la fabrication afin de produire des microstructures homogènes et denses. Des pièces de taille satisfaisante pour l’application ont été réalisées pour chaque nuance. Elles ont été soumises à des caractérisations microstructurales (microscopie électronique à balayage et en transmission, diffraction des rayons X, cartographie élémentaire, analyses chimiques) et mécaniques en quasi-statique (dureté, ténacité, contrainte à la rupture, module de Weibull) et en dynamique. La fragmentation dynamique des carbures de silicium a été étudiée grâce à des essais utilisant une configuration d’impact sur la tranche. Une première configuration a permis d’observer la phénoménologie et la chronologie de l’endommagement du matériau grâce à une caméra ultra-rapide. Une seconde configuration ‘sarcophage’ a permis d’observer la fragmentation des matériaux, c’est-à-dire le motif et la densité de fissuration des cibles. Il a été observé que la microstructure joue un rôle clef sur l’intensité de l’endommagement subit par la céramique pendant l’impact. Une bonne adéquation avec des simulations utilisant le modèle d’endommagement anisotrope Denoual-Forquin-Hild (DFH) a été mise en évidence. Une autre configuration expérimentale mettant en oeuvre un double impact sur une même cible a été utilisée afin de caractériser la résistance de la céramique endommagée. En parallèle, des essais balistiques avec des munitions 7,62x54mmR API B32 et 7,62x51mm AP8 ont été réalisés. La microstructure des céramiques a montré jouer un rôle important sur la performance balistique / Ceramics are a key component in multilayer armor structures. Their low density, typically two to three times lower than steel, combined with a high compressive strength make them essential materials for lightweight armor solutions. Silicon carbide is a promising material for this application due to its particularly low density and high hardness, even among other ceramics. However, armor performance is controlled by more than just the composition and understanding the link between the ceramic microstructure and the fragmentation process during the impact is essential to produce optimized and high performance materials for armor applications.Four dense silicon carbide grades with various microstructures have been used, including three produced during this work. For that, two sintering modes (solid state sintering and liquid phase sintering) and two sintering processes (pressureless sintering and spark plasma sintering) have been used. Particular care has been taken with ceramic processing in order to produce different homogenous and dense microstructures. Silicon carbide parts have been produced at a sufficient size for the application. They were submitted to microstructural characterization (scanning and transmission electronic microscopy, X-ray diffraction, elemental cartography, chemical analysis) and mechanical characterization in quasi-static mode (hardness, toughness, module of rupture, Weibull modulus) and dynamic mode. Dynamic fragmentation of silicon carbide grades has been studied by means of Edge-On Impact (EOI) experiments. A first configuration enabled the study of the damage process that spreads out within the tile thanks to an ultra-high speed camera. A second ‘sarcophagus’ configuration was used to enable observation of the target fragmentation, i.e., crack patterns and crack densities. It has been observed that the microstructure of ceramics plays a key role in the damage intensity generated during impact. A good match with a simulation using the Denoual-Forquin-Hild (DFH) anisotropic damage model has been highlighted. Another experimental configuration implying a double impact on ceramics has been used to characterize the resistance of the damaged target. In parallel, ballistic experiments with 7.62 x54mmR API B32 and 7.62x51mm AP8 threats have been performed. Microstructure of ceramics has been shown to play an important role on ballistic performance

Les organes de frottement en carbure de silicium répondent à des critères de fonctionnement exigeants grâce aux propriétés offertes par cette céramique. Son faible coefficient de dilatation thermique et sa bonne conductivité thermique la rendent moins sensible aux chocs thermiques que les autres céramiques et particulièrement, en frottement, où la génération locale de chaleur peut s’avérer importante. Ces performances tribologiques sont conditionnées par son environnement mécanique, par la nature de la face de frottement antagoniste et surtout par le comportement des éléments interfaciaux circulant dans le contact. Le frottement du couple homogène SiC/SiC dans une configuration anneau/anneau a tout d’abord été étudié et son mécanisme d’usure a été établi, montrant un glissement sec difficile et une usure prononcée. Des alternatives ont alors été étudiées : revêtement du carbure par du DLC ou remplacement de la contreface par une bague carbone-graphite. Les imprégnations des bagues carbone-graphites par différents composés, polymères avec la résine phénolique et le PTFE ou métallique avec l’antimoine permettent d’en façonner les propriétés et, par conséquent, la réponse tribologique. Les essais sont réalisés à l’aide d’un tribomètre en glissement rotatif et ont permis de caractériser ces comportements tribologiques en fonction de différentes conditions de pression de contact, de vitesse et de température. Une analyse thermique a également été développée grâce à l’utilisation d’une caméra thermique infrarouge et a permis d’identifier les flux thermiques et le champ de températures durant le frottement. Des analyses physico-chimiques par EDS et spectroscopie Raman ont permis de décrire les transferts de matière mis en jeu et ont mis en évidence des phénomènes locaux d’oxydation de l’interface. La forte participation des imprégnants du carbone-graphite à la formation du troisième corps a été montrée. La spectroscopie Raman a également permis d’étudier le caractère cristallin des surfaces et du troisième corps formé et de mettre en évidence des phénomènes de contraintes en surface à l’origine des mécanismes d’endommagement. Il a ainsi pu être reconstitué un scénario complet des différentes étapes du glissement en termes de bilans de matière et d’énergie dans le contact. / Silicon carbide friction bodies fulfill high operation criteria owing to the properties provided by this ceramic. Its low thermal expansion coefficient and good thermal conductivity make it less sensitive to thermal shocks than other ceramics and particularly in friction, where the local heat generation may be significant. These tribological performances are then conditioned by the mechanical environment, by the nature of the counterface and above all by the interfacial elements circulating inside the contact. The friction of the homogeneous SiC/SiC pair in a ring-on-ring configuration was first studied and its wear mechanism was redefined. A hard silicon carbide counterface showed a difficult dry sliding and a high wear, alternative materials were studied: DLC coating on silicon carbide rings or carbon-graphite rings. Impregnation of the carbon-graphite rings with different compounds, polymers with the phenolic resin and PTFE or metal with antimony, shaped its properties and therefore, the tribological behaviour. Friction tests are carried out using a rotary sliding tribometer. They characterized the tribological behaviour for different operating conditions of contact pressure, sliding velocity and temperature of the environment. In addition, a thermal analysis was also implemented by using an infrared thermal camera in order to identify heat flows in the system and the temperature field for the entire duration of the tests. Physico-chemical analysis using EDS and Raman spectroscopy permitted to describe the transfers of material which take place during the tests and highlighted the local oxidation phenomena of the interface. The strong contribution of the carbone-graphite impregnants to the formation of the third body was also shown. Raman spectroscopy was also used to examine the crystalline state of the surfaces and the third body. Raman spectroscopy highlighted also stresses which are the source of the damage mechanisms. The different stages of the phenomena taking place during sliding inside the contact in terms of material and energy balance were then described.