La connaissance du comportement et des propriétés des matériaux est d’une grande importance pour optimiser leur mise en forme et adapter leur utilisation. Pour étudier ces propriétés de nombreuses techniques sont couramment utilisées : les essais de traction, la microindentation, la nanoindentation instrumentée… Aujourd’hui, un intérêt particulier est porté sur les nanomatériaux et matériaux nanostructurés car ils présentent souvent des propriétés différentes et plus intéressantes. La nanoindentation instrumentée, notamment, permet de déterminer des paramètres matériaux de manière locale. Cependant, le comportement en temps réel ne peut être observé et l’échantillon ne doit pas être de dimension trop faible (typiquement, l’étude de nanoparticules n’est pas envisageable). Le principal atout de la nanoindentation in situ en Microscopie Electronique en Transmission vis-à-vis des autres techniques existantes est la possibilité d’étudier le comportement de nano-objets ou des comportements très locaux et en temps réel, tout en observant les transformations subies par le matériau. Dans cette étude, nous avons évalué les potentialités de cette nouvelle technique via l’analyse de céramiques très étudiées au laboratoire notamment en tant que biomatériaux : la zircone stabilisée et l’alumine. Dans le cas de la zircone (stabilisée à l’yttrium ou au cérium), le but était de localiser à l’échelle nanométrique les contraintes responsables ou inhérentes à la transformation de phase quadratique-monoclinique, phénomène ayant une très grande influence sur les propriétés du matériau massif. Pour ce faire, après avoir déterminé une technique de préparation adaptée, nous proposons une voie d’étude pour la localisation des contraintes liées à la transformation de phase : le CBED (Convergent Beam Electron Diffraction) couplé à la nanoindentation in situ. Dans le cas de l’alumine, l’objectif était d’étudier le matériau (commercial et non un matériau modèle) dans sa forme originelle à savoir sous forme de nanoparticules d’alumine de transition. L’idée était d’étudier le comportement de ces nanoparticules sous compression. Nous avons notamment constaté que ces particules pouvaient subir une grande déformation plastique à température ambiante. Nous avons pu également, sur quelques particules, obtenir une série d’images en cours de compression ainsi que la courbe de charge-déplacement correspondante. Ces résultats ont ensuite été soumis à une analyse des images couplée à une simulation de type Eléments Finis (réalisées par le LAMCOS). / Knowledge of the behavior and properties of materials is of great importance to optimize their processing and adapt their use. To study these properties, many techniques are commonly used: tensile tests, microindentation, instrumented nanoindentation ... Today, particular interest is focused on nanomaterials and nanostructured materials because they often have different and more interesting properties. Instrumented nanoindentation allow to determine material parameters. However, the real-time behavior can not be observed and the study of nano-objects is difficult (nanoparticles for example). The main advantage of in situ TEM (Transmission Electron Microscopy) nanoindentation is the ability to study the behavior of nano-objects in real time. In this study, we evaluated the potential of this new technique by analyzing ceramics extensively studied in the laboratory such as biomaterials: stabilized zirconia and alumina. In the case of zirconia (stabilized with yttrium or cerium), the goal was to locate at the nanoscale, the constraints responsible for the tetragonal to monoclinic phase transformation. This phenomenon having a great influence on the bulk material properties. To do this, after having determined a suitable preparation method, we suggest a way to study the localization of constraints: the CBED (Convergent Beam Electron Diffraction) coupled with in situ TEM nanoindentation. In the case of alumina, the goal was to study the material in its original form (nano powder of transition alumina). The idea was to study the behavior of these nanoparticles under compression. We particularly observed that these particles could undergo large plastic deformation at room temperature. We have also obtained during compression on few particles, series of images and the corresponding load-displacement curve. These results were then analyzed by image analysis coupled with Finite Element simulations (performed in LAMCOS lab).

L’objectif de cette thèse est le développement de composites dans le système alumine-zircone par une approche d’ingénierie des poudres permettant de façonner les caractéristiques microstructurales et compositionnelles, et, par conséquent, les propriétés des matériaux finaux. Les poudres composites ont été elaborée à travers la modification de la surface des poudres commerciales par un précurseur inorganique de les phases secondaires . Cette approche innovante assure un degré élevé du contrôle de la taille et de la distribution des grains de seconde phase sur la surface du matériau parent. Les poudres composites à base d’alumine contenant 10 vol% de zircone non-stabilisée et des poudres composites à base de zircone triphasique contenant 8 vol% d’alumine et 8 vol% de phase aluminate, ont été développées. Leur propriétés physiques, chimiques et mécaniques a été caractérisé. Dans le cas premier, les materials porous ont été développés à travers le technique gel-casting avec sphères de PE. Les mécanismes de ténacité de la zircone ont été étudiés, révélant aucun influence sur les propriété mécaniques. Les composites poreux présentent des valeurs de résistance à la rupture plus élevées, en comparant à des alumines pures, mais cet amélioration peut être raisonnablement dû à leur microstructure plus fine, celle-ci étant caractérisée par des grains et des pores plus petits. Dans le deuxième cas, a partir de la Ce-TZP, connue pour sa ténacité et sa stabilité importantes, un travail d’optimisation de la microstructure a été réalisé afin d’obtenir une résistance à la rupture maximale. Les matériaux présentés dans cette étude ont été développés afin de répondre au triple objectif de ténacité, résistance et stabilité. Deux composites très prometteurs, avec des résistances à la rupture élevées (environ 900 MPa) et ténacités élevées (environ 10Mpa√m), ont été réalisés. De plus, les composites étudiés ont montré de hautes capacités de transformation et pas de faible température de dégradation en atmosphère humide, dans les temps des applications médicales. Il a été démontré que les propriétés mécanique sont vivement affectées par le degré de stabilisation de la zircone. L’étude de la relation entre les propriétés finales et l’architecture de la composition/microstructure, au but d’obtenir les propriétés désirées, se révèle nécessaire. / The aim of this PhD study is the development of composites in the alumina-zirconia system through a powder engineering approach which allows tailoring the compositional and microstructural features, and, as a consequence, the properties of the final materials. The experimental activities refer to two different projects. The first, named MITOR project, was devoted to the elaboration and mechanical characterization of macro-porous Alumina-Zirconia composites. It dealt with the development of a new method for the elaboration of composite cellular ceramics and with the investigation of the role of zirconia and its toughening mechanisms in porous materials, thus filling a gap in the scientific literature. The latter, a European Project named Longlife, was dedicated to the preparation and characterization of zirconia (stabilized with ceria)-based composites for dental and spine implants. The major aim was to overcome the drawbacks proper of yttria-zirconia-based materials, concerning their stability in moisture atmosphere as well as their low toughness. Ceria-zirconia-based composites should benefit from phase transformation toughening still keeping high strength. In addition, they should not suffering of surface degradation in presence of water. So, materials characterized by high strength, high toughness with a perfect reliability and a lifetime longer than 60 years were investigated. Alumina-based composite powders containing 10 vol% of un-stabilized zirconia as well as tri-phasic zirconia-based composite powders containing 8 vol% of alumina and 8 vol% of an aluminate phase(Srontiuma nd Magnesium hexaxaluminate), were developed and characterized in terms of phase evolution and thermal behaviour. In addition, the adopted elaboration route allowed tailoring the ceria amount inside the zirconia grains: four different zirconia stabilization degree were thus investigated. Two very promising composites with high fracture strength, of about 900 MPa, and high crack resistance were found. Furthermore, the investigated composites showed high transformability and no low temperature degradation in moisture atmosphere in the time-scale of medical applications. It was shown that the deep knowledge of all the involved mechanisms (such as raw powders dispersion, pH suspension, powder thermal treatments) is crucial for achieving a full control of the powders features and, consequelntly, of the final microstructures.

Les céramiques bioinertes (zircone, alumine), sont utilisées dans des dispositifs médicaux pour l’orthopédie et l’odontologie. Leurs surfaces peuvent avoir plusieurs fonctions : fixation du dispositif dans le milieu vivant (ex : implants dentaires), rôle tribologique (prothèses articulaires)… Dans tous les cas, ces surfaces sont traitées pour maximiser leur performance, mais ces modifications peuvent entrainer des conséquences négatives. Ainsi, le 2e chapitre montre qu’introduire de la rugosité par sablage joue sur l’intégrité mécanique et sur la stabilité à long terme de l’alumine, de la zircone et d’un composite alumine-zircone. Par ailleurs, dans les prothèses articulaires, la lubrification joue un rôle fondamental pour minimiser l’usure et donc augmenter la durée de vie moyenne des implants, permettant en outre de favoriser l’adsorption de protéines réduisant le contact direct entre les deux surfaces glissantes. La chimie des surfaces (y compris la présence de contamination) peut modifier ces aspects. Dans le 3e chapitre de ma thèse j’ai étudié l’effet de la contamination et des différentes techniques de nettoyage permettant de la réduire sur la mouillabilité des matériaux typiquement utilisés dans les prothèses de hanche, et sur l’adsorption de protéines à leurs surfaces. Finalement, les cellules utilisent les protéines en surface comme points de fixation et identification. Les implants avec une surface capable de recruter plus de protéines aidant à l’adhésion des cellules auront plus des chances d’être intégrés que des implants recrutant des protéines qui empêchent l’adhésion. Dans le 4e chapitre, j’ai exploré un nouveau concept de modification de surface de la zircone consistant en un greffage d’organosilanes directement sur sa surface, de manière à prouver le potentiel de cette technique à améliorer l’ostéointegration sans diminuer la performance mécanique. / Bioinert ceramics (zirconia, alumina) are used in medical devices in orthopedics and dentistry. Their surfaces may provide different functions: fixation of the device in the living tissue (e.g. dental implants), tribological role(joint substitutions),… In all cases the surfaces are treated to maximize their performance, but this modifications may entail negative consequences. The use of roughness to promote osseointegration of implants is a common practice, especially on dental implants. Roughening is often conducted by mechanical treatments, the most common being sandblasting. Therefore, chapter 2 focus on the implications of roughening by sandblasting on the mechanical behaviour of zirconia, alumina and a zirconia-alumina composite, and the differences between them. The work brought in chapter 3 was carried out entirely during a six-month secondment at CeramTec GmbH. In a bearing couple, lubrication mechanisms are complex and wettability and proteins play a yet-to understand role. The study compared the wettability of different materials, their ability to welcome protein adsorption and the effect of different cleaning procedures on wettability measurements and protein adsorption. Finally, the influence of the surface on cell activity is not driven exclusively by roughness: chemical modifications of the surface may enhance the perception of cells for the surface, and by careful tuning of the surface properties one may achieve a better integration without the downsides of roughness. In chapter 4, we explored a novel modification of zirconia, based on known techniques in chemistry, which introduces molecules with special functional groups capable of rendering the surface friendlier for cell adhesion, and opening the window for new exciting developments in the field of bioinert ceramics.

Ce travail marque le départ d'une nouvelle thématique au sein du laboratoire dans le domaine des piles à combustible à oxydes solides planaires. Fort de son expérience dans le domaine des capteurs, l'objectif a été de réaliser des prototypes avec des technologies "bas coûts" comme la sérigraphie à partir de matériaux classiques pour les piles, plutôt que de rechercher des nouveaux matériaux avec des propriétés optimales, mais qui peuvent être amoindries lors de la réalisation d'un dispositif complet. Ces matériaux sont la zircone yttriée (YSZ) pour l'électrolyte, un manganite de lanthane dopé au strontium (LSM) pour la cathode et d'un cermet à base d'oxyde de nickel et de zircone yttriée (Nio-YSZ) pour l'anode.<br />la première partie des travaux a consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et électriques des matériaux choisis, sur des frittés d'abord et ensuite sur des couches sérigraphiées de YSZ, LSM ou NiO-YSZ. Ces caractérisations ont montré une bonne adaptabilité de nos matériaux pour une application pile à combustible.<br />La seconde partie a consisté à tester les prototypes réalisés sur l'électrolyte support, et sur anode support avec les électrodes et l'électrolyte déposé par sérigraphie. Les faibles performances obtenues sont surtout dues à la faible température de fonctionnement (800°C), à l'épaisseur de l'électrolyte support (environ 1mm)ou à la porosité des couches de YSZ par sérigraphie. Enfin, nous avons en même temps testé un dispositif original qui consiste à exposer les deux électrodes à un mélange de combustible et du comburant. Ce dispositif mono-chambre prometteur inspiré de l'expérience des capteurs potentiométriques développés au laboratoire par Nicolas Guillet (2001), permet de s'affranchir des problèmes d'étanchéité des deux compartiments gazeux. De plus, les performances obtenues ne sont que deux fois moindres par rapport à celles obtenues avec une pile conventionnelel à deux chambres gazeuses.

Cette thèse s'inscrit dans une démarche d'exploration de méthodes de synthèse innovantes conduisant à des matériaux hydrides structurés à l'échelle nanométrique par les voies de la chimie douce. Cette exploration s'est appuyée sur le développement d'un matériau hybride constitué d'une matrice de zircone yttriée au sein de laquelle est incorporé un cristal liquide minéral d'oxyde de vanadium V2O5. L'oxyde de vanadium en solution aqueuse forme des espèces colloïdales anisotropes ayant la forme de rubans de dimensions typiques 1 nm x 25 nm x 500 nm. Ces colloïdes sont stabilisés par une charge de surface négative, et s'organisent, à partir d'une certaine concentration, en une phase cristal liquide nématique, dont les domaines peuvent être orientés le long d'une direction commune à l'échelle macroscopique par l'application d'un champ magnétique faible. L'objectif est donc d'utiliser ces colloïdes anisotropes comme « template », en tirant parti de leurs propriétés d'organisation collective pour amener un ordre supplémentaire au sein du matériau hybride. Les expériences préliminaires ayant révélé une réactivité particulière de l'oxyde de vanadium vis-à-vis des composés moléculaires du zirconium, les études se sont tournées vers la préparation d'une suspension colloïdale mixte composée de nanoparticules de zircone et de rubans de V2O5, et constituant un sol précurseur du solide hybride envisagé. Les nanoparticules de zircone sont préparées par une synthèse hydrothermale remarquable conduisant à des nanoparticules monocristallines de l'ordre de 5 nm stables en suspension dans l'eau pure. Cependant, la préparation d'un sol mixte d'oxyde de vanadium et de zircone yttriée est très délicate, puisqu'il s'agit de stabiliser ensemble deux types de colloïdes, non seulement de forme et de taille différentes, mais aussi et surtout de charge de surface opposées. De plus, les conditions d'existence des rubans de V2O5 imposent un milieu de pH acide et de force ionique faible. Une première partie de cette thèse est donc dédiée à l'étude de la stabilisation électrostérique de suspensions de zircone par l'ajout de polyélectrolytes acides. L'effet de l'ajout de différents polymères présentant des fonctions acide carboxylique et acide sulfonique a ainsi été étudié. En particulier, l'influence de la masse moléculaire ou de la charge du polymère est discutée à travers les mesures de potentiel zêta et la détermination d'isothermes d'adsorption. Parmi les polymères étudiés, l'acide poly (vinyl sulfonique) (PVS) a permis d'obtenir des suspensions de zircone présentant des propriétés intéressantes en vue de la mise en contact avec les sols aqueux de V2O5. Ainsi, des sols mixtes zircone yttriée / PVS / V2O5 stables ont pu être préparés. Les limites de stabilité de tels sols mixtes sont discutées. Notamment, une compétition entre un effet de déplétion dû au mélange de colloïdes de forme et de taille différentes, et la formation d'un gel tridimensionnel stabilisé par les interactions répulsives entre les rubans de V2O5, semble avoir lieu. L'évaporation de tels sols mixtes a permis de préparer des solides hybrides, dont la biréfringence atteste d'une anisotropie générée par l'insertion de rubans de V2O5 au sein du solide. Ces solides ont été caractérisés par différentes techniques telles que la spectroscopie infrarouge, la diffraction des rayons X et la microscopie électronique en transmission.

Certains oxydes sous forme cristalline, plus particulièrement la zircone (ZrO2) et le spinelle (MgAl2O4), sont des matrices potentielles pour la transmutation du plutonium et des actinides mineurs. Ce travail concerne l'étude des propriétés physico-chimiques de ces matrices, avec un accent particulier sur leur comportement vis-à-vis de l'irradiation et leur capacité à confiner les produits de fission. Les irradiations à basse énergie et l'incorporation d'analogues stables de produits de fission (Cs, I, Xe) dans des monocristaux de ZrO2 (phase cubique stabilisée avec Y2O3) et MgAl2O4 ont été réalisées avec l'implanteur d'ions du CSNSM-Orsay. Les irradiations à haute énergie ont été effectuées sur divers accélérateurs d'ions lourds (GANIL-Caen, ISL-Berlin, HIL-Varsovie). Les techniques de microanalyse nucléaire (RBS et canalisation) ont été mises en œuvre in situ sur l'accélérateur ARAMIS du CSNSM-Orsay pour caractériser le désordre créé par l'irradiation, et pour étudier le relâchement des produits de fission. Des expériences complémentaires de microscopie électronique à transmission ont été réalisées afin de déterminer la nature du désordre créé. Les résultats expérimentaux indiquent que l'irradiation de ZrO2 et MgAl2O4 avec des ions lourds de quelques centaines de keV ou de quelques centaines de MeV crée un désordre structural important dans les matrices cristallines. Le désordre total (amorphisation) n'est jamais atteint dans le cas de la zircone, contrairement au spinelle. Ces résultats montrent également l'influence déterminante de la concentration en produits de fission sur leur relâchement dans les deux matériaux étudiés, avec une forte augmentation du relâchement quand la concentration excède une valeur seuil, ou en présence de défauts produits par une irradiation avec des ions de gaz rares. Une exfoliation du spinelle implanté à forte concentration d'ions Cs est observée après traitement thermique à haute température.

Les films de ZrO2 pur sont déposés par MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) en variant de nombreux paramètres du processus. L'influence des conditions de dépôt sur l'évolution de la microstructure (morphologies, structure cristalline/phase, texture et contrainte résiduelle) a été étudiée et clarifiée. Par des analyses approfondies des résultats expérimentaux, trois mécanismes typiques de croissance de dépôt de ZrO2 ont été proposées. Les contraintes de croissance de compression sont en relation directe avec la diffusion atomique et la quantité d'espèces piégées dans les films. La formation de la texture cristallographique est complexe et deux types de textures ont été analysées dans la phase tétragonale : la texture de fibre {1 1 0}t est contribuée par l'effet superplastique des nano-cristallites de ZrO2 et par la contrainte de croissance de compression ; tandis que la morphologie en facette est due à la croissance concurrentielle de différents plans cristallographiques. La stabilisation de la phase tétragonale de ZrO2 a été analysée et discutée. En plus de la taille critique des cristallites, la stabilisation de la phase tétragonale est favorisée par deux autres mécanismes : la grande quantité des défauts cristallins et la morphologie des cristallites.

La densification et l'évolution microstructurale de bimatériaux copréssés alumine (Al2O3) – zircone (Y-ZrO2) and alumine – spinelle (MgAl2O4) ont été étudiées. Avant les études de co-frittage, les comportements en frittage des poudres submicroniques d'alumine, de spinelle et de zircone mises en oeuvre ont été étudiés par dilatométrie verticale Les effets de traitements de pré coalescence et de frittage en deux étapes sur la densification et la microstructure des céramiques spinelle ont été caractérisés. Le développement de couches interfaciales entre la spinelle et l'alumine a été étudié lors de traitements thermiques dans la gamme de température 1400-1500°C. Des liaisons sans fissures ont été observées dans des bimatériaux spinelle – alumine mis en forme par UP + CIP. Une intercouche de grains colonnaires de spinelle a été mise en évidence. Il a été montré que la croissance de cette intercouche à partir de la partie spinelle au détriment de la partie alumine suivait une loi cinétique parabolique. Les essais de couples de diffusion de matériaux prédensifiés ont montrés le développement de grains colonnaires de spinelle avec la même cinétique que dans les bimatériaux cofrittés

Le dépôt par électrophorèse, technique éclectique et prometteuse, est bien connue pour permettre la production de films déposés de haute qualité et d'épaisseur contrôlée. Au vu de ces possibilités, la technique EPD a été appliquée avec succès lors de ce présent travail de thèse de doctorat pour produire des couches à base de zircone yttriée orientées vers des applications comme électrolyte solide dans les piles à combustibles. Nous avons testé deux techniques simples, facilement transférables à la production industrielle : La sérigraphie et le dépôt par électrophorèse. Les caractéristiques microstructurales de ces couches se reflètent sur leur comportement électrique. Notamment, les couches électrophorétiques possèdent des valeurs de conductivité plus élevées et proches des valeurs théoriques. Ces valeurs couplées au fait de pouvoir développer des couches d'épaisseur faible contrôlée (de l'ordre de la dizaine de µm), démontrent combien le dépôt par électrophorèse est une réponse valide aux demandes d'amélioration des caractéristiques des couches d'électrolytique.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du réseau PROMETHEREF, dont le but est d'améliorer les connaissances sur le comportement thermomécanique de réfractaires industriels. Elle s'axe sur l'étude de réfractaires électrofondus : un produit Alumine – Zircone – Silice (AZS) et un matériau à Très Haute Teneur en Zircone (THTZ), matériaux essentiellement utilisés dans la construction des fours verriers. L'objectif de cette étude est de caractériser et de proposer des équations constitutives définissant le comportement en fluage de ces matériaux afin de pouvoir par la suite modéliser leur refroidissement lors de leur fabrication. Dans ce but, différents moyens d'essais mécaniques (flexion, compression, traction) à haute température ont été développés et exploités. On peut notamment citer le développement de dispositif de traction/compression. De conception modulaire, il permet de passer d'un mode de sollicitation à un autre par simple changement de la ligne de chargement et d'atteindre des températures de 1600°C. Son originalité vient principalement de la traction où l'utilisation d'un système de chargement inversé permet d'éliminer toute fixation mécanique de l'éprouvette. Grâce à ce dispositif, nous avons construit une base expérimentale d'essais de fluage anisotherme et isotherme, afin d'appréhender les mécanismes de déformation et de modéliser le comportement mécanique de ces réfractaires. Ces essais ont notamment révélé un comportement dissymétrique en traction et en compression avec, notamment, un comportement en fluage du matériau THTZ atypique. Une première approche de la loi de comportement a été tentée à partir d'une loi dissymétrique à écrouissage cinématique. Cette approche s'est avérée peu concluante nous obligeant à la reformuler, et notamment à ne plus prendre en compte la dissymétrie. Ainsi, les paramètres de traction ont été identifiés pour le matériau THTZ. Les diverses simulations d'essais réalisés ont confirmé la présence d'une dissymétrie de comportement, ainsi que l'importance de l'histoire thermique des matériaux sur le comportement mécanique.