Les céramiques de type non-oxyde à base de silicium ont été très largement étudiées en raison deleurs incroyables propriétés thermostructurales généralement très supérieures à celles desmatériaux conventionnels. En particulier, les carbonitrures de bore et de silicium (SiBCN)proposent une grande fiabilité mécanique et sont stables jusqu’à des températures de l’ordre de2200 °C en raison de la faible mobilité atomique de leurs structures. Le développement de la voie« polymères précéramiques » s’est avéré primordial pour la réalisation de céramiques techniquesaux propriétés contrôlées. Au travers de la thermolyse des polymères, une large gamme decéramiques peut être obtenue à partir de précurseurs moléculaires en contrôlant à la fois lastructure de l’unité monomérique et le degré de polymérisation, mais aussi la procédure dethermolyse. La thermolyse directe des polymères est compatible avec plusieurs types detechniques de mise en forme et offre la possibilité de réaliser des structures et des objets deformes complexes. Le nanomoulage à partir d’un moule poreux et le co-assemblage d’unpolymère précéramique et d’un bloc copolymère sont deux voies largement empruntées pour laproduction de céramiques poreuses ordonnées. Ce manuscrit présente une étude sur l’élaborationde céramiques de type SiBCN mésoporeuses ordonnées selon la méthode du nanomoulage. Lamise en forme de ces poudres céramiques par frittage flash conduit alors à la fabrication demonolithes à porosité hiérarchisée. Une deuxième partie envisage également l’utilisation d’uncopolymère tribloc comme agent structurant pour la synthèse de matériaux mésoporeux ordonnésde type carbure de silicium. / SiC based non-oxide type ceramics have been largely studied due to high thermostructural properties.In particular, Silicoboron carbonitrides (SiBCN) display high mechanic reliability and stay stableuntil temperature such as 2200 °C due to a low atomic mobility in their structure. The developpementof the Polymer Derived Ceramics (PDCs) route played a major role in the production of technicalceramics with controlled properties. Through the thermolysis of preceramic polymers, a large rangeof ceramics can be obtained from molecular precursors while controlling at the same time themonomeric unit structure, the polymerization level but also the thermolysis process. Directthermolysis of polymers is compatible with many shaping techniques and offers the opportunity torealize complex shapes/structures. Nanocasting from a porous template and self-assembling of apreceramic polymer and multi-bloc copolymers are the main strategies leading to organized porousceramics. This document is about the fabrication of organized mesoporous SiBCN-type ceramics viananocasting. The shaping of such ceramic powders with the spark plasma sintering technique leads tomonoliths with hierarchical porosity. A second part considers the use of a commercial tri-blockcopolymer as structuring agent for the synthesis of SiC-type ordered materials.

La photo-catalyse est une voie très prisée pour la dépollution de l’eau ou de l’air. Le photo-catalyseur le plus employé est le dioxyde de titane (TiO2) mais l’activité photo-catalytique peut fortement varier d’une poudre à l’autre. De plus, il est très avantageux, voire nécessaire, de le déposer sur un support, pour une manipulation aisée, notamment s’il s’agit d’un monolithe poreux. Le but de cette thèse, menée en collaboration entre le LMCPA et l’IEM, est de produire un photo-catalyseur supporté : une mousse céramique, issue de précurseurs céramiques polymériques (voie PDC), revêtue de TiO2, tout en visant une cristallisation et une intégration du TiO2 dans la mousse, en une seule étape, par voie hydrothermale. Nous avons étudié la synthèse de TiO2 par voie hydrothermale formant ainsi des poudres de diverses natures (anatase, brookite, oxyde hydraté de titane et mélanges de ces phases) ; certaines présentent une activité photo-catalytique supérieure, dans certaines conditions, à celle de la référence commerciale le P25 de Degussa. Cette étude a également permis de produire de la brookite pure à une température relativement basse, bien plus performante que le P25 et l’anatase dans certaines conditions. Parallèlement, divers polymères précéramiques ont été investigués pour la confection de supports macro-poreux via la méthode des charges sacrificielles. Nous avons ainsi réalisé des mousses en céramique amorphe en SiBCN et SiBC, hautement poreuses, ouvertes et robustes. Enfin, les poudres de TiO2 les plus efficaces ont été déposées sur les mousses, par la voie hydrothermale, pour former le photocatalyseur supporté dont l’activité photo-catalytique a été évaluée. / Photocatalysis is a method of choice for water and air depollution. Titanium dioxide (TiO2) is the most used photocatalyst but photocatalytic activity can widely differ from one powder to another. Moreover, it is useful, or even necessary, to immobilize it on a support; in particular, a porous monolithic support for an easier handling. The purpose of this PhD thesis, consisting in a collaboration between the LMCPA and the IEM, is to produce a supported photocatalyst: an amorphous ceramic foam produced from polymeric ceramic precursors (PDC route) coated with TiO2. The objective is also to target a one pot process the crystallization and the incorporation of the photocatalyst, in a single stage, through a hydrothermal treatment. We studied the hydrothermal synthesis of TiO2 powders composed of various crystalline phases (anatase, brookite, titanium oxide hydrate and mixtures of thereof); some of them showed higher photocatalytic activity than the commercial reference, Degussa’s P25. This study also lead to the synthesis of pure brookite, at a relatively low temperature, much more efficient than P25 and anatase under certain conditions. At the same time, various preceramic polymers were studied for the production of macroporous supports through the sacrificial filler technique. We were able to produce highly porous, opened and robust amorphous ceramic foams in the Si-B-C-N and Si-B-C systems. Lastly, the foams were coated with the most efficient TiO2 powders in order to produce supported photocatalysts by the hydrothermal route; their photocatalytic activity was then evaluated.

Les matériaux céramiques à base de bore dans le système quaternaire Si-B-C-N présentent des propriétés de grand intérêt grâce aux liaisons covalentes et à la faible mobilité des éléments bore et silicium dans leurs phases nitrure et carbure, ce qui amène une grande fiabilité mécanique et une bonne stabilité thermique. Ces dernières années, la voie « polymères précéramiques » est devenue la plus intéressante pour la préparation des ce type de céramiques avancées. En utilisant la thermolyse de polymères, une large variété de céramiques dérivées de polymères précéramiques peut être produite à partir de précurseurs moléculaires, en contrôlant la structure de l'unité monomérique, la polymérisation et la procédure de thermolyse. Notamment la thermolyse directe des polymères est une voie compatible avec plusieurs types de techniques de mise en forme, entre autres l'infiltration ou le filage, qui offrent la possibilité de réaliser structures et objets avec des formes complexes avec une approche simple et à faible coût. La première génération de fibres SiBCN a été obtenue à partir du polymère de type [B(C2H4SiCH3NCH3)3]n. Celle-ci présentait de bonnes propriétés mécaniques et une bonne stabilité thermique. Ce manuscrit présente une étude sur le développement de ce type de polymères, en particulier l'optimisation du filage et de la qualité de fibres à travers la modification des voies de synthèse et des traitements de thermolyse. De plus, une élaboration de nouveaux précurseurs moléculaires est développée afin de produire une nouvelle génération de fibres SiBCN / Boron-based ceramic materials in the quaternary Si-B-C-N system are of great interest because of their covalent bonding and the poor mobility of boron and silicon elements in their respective nitride and carbide which both provide mechanical reliability and high temperature stability. In recent years, the PDCs route became of increasing interest for the preparation of such advanced ceramics. Using the general polymer thermolysis route, a large variety of net-shaped polymerderived ceramics can be built up from molecular units and shaped by controlling the structure of the molecular units as well as the polymerization and thermolysis procedures. Interestingly, the direct polymer thermolysis route makes polymers compatible with many shaping techniques such as infiltration or melt-spinning offering the opportunity to realize complex shapes/structures in a simple and cost-efficient way.The first generation of such fibers obtained from a polymer type [B(C2H4SiCH3NCH3)3]n showed good mechanical properties and thermal stability. This document is about the development of such a polymer in order to optimize spinnability and fibers quality throught synthesis modification and thermolysis treatments. Moreover, design of new preceramic polymers is investigate to produce a new generation of SiBCN fibers

Les céramiques de type non-oxyde à base de silicium ont été très largement étudiées en raison deleurs incroyables propriétés thermostructurales généralement très supérieures à celles desmatériaux conventionnels. En particulier, les carbonitrures de bore et de silicium (SiBCN)proposent une grande fiabilité mécanique et sont stables jusqu'à des températures de l'ordre de2200 °C en raison de la faible mobilité atomique de leurs structures. Le développement de la voie" polymères précéramiques " s'est avéré primordial pour la réalisation de céramiques techniquesaux propriétés contrôlées. Au travers de la thermolyse des polymères, une large gamme decéramiques peut être obtenue à partir de précurseurs moléculaires en contrôlant à la fois lastructure de l'unité monomérique et le degré de polymérisation, mais aussi la procédure dethermolyse. La thermolyse directe des polymères est compatible avec plusieurs types detechniques de mise en forme et offre la possibilité de réaliser des structures et des objets deformes complexes. Le nanomoulage à partir d'un moule poreux et le co-assemblage d'unpolymère précéramique et d'un bloc copolymère sont deux voies largement empruntées pour laproduction de céramiques poreuses ordonnées. Ce manuscrit présente une étude sur l'élaborationde céramiques de type SiBCN mésoporeuses ordonnées selon la méthode du nanomoulage. Lamise en forme de ces poudres céramiques par frittage flash conduit alors à la fabrication demonolithes à porosité hiérarchisée. Une deuxième partie envisage également l'utilisation d'uncopolymère tribloc comme agent structurant pour la synthèse de matériaux mésoporeux ordonnésde type carbure de silicium.

Polymer-derived ceramics (PDCs) are a unique class of multifunctional materials synthesized by thermal decomposition of polymeric precursors. Due to their unique and excellent properties and flexible manufacturing capability, PDC is a promising technology to prepare ceramic fibers, coatings, composites and micro-sensors for high-temperature applications. However, the structure-property relationships of PDCs have not been well understood. The lack of such understandings drastically limited the further developments and applications of the materials. In this dissertation, the structure and properties of amorphous polymer-derived silicon carbonitride (SiCN) and silicoboron carbonitride (SiBCN) have been studied. The SiCN was obtained using commercially available polysilazane as pre-ceramic precursor, and the SiBCN ceramics with varied Si-to-B ratio were obtained from polyborosilazanes, which were synthesized by the hydroboration and dehydrocoupling reaction of borane and polysilazane. The structural evolution of polymer-derived SiCN and SiBCN ceramics from polymer to ceramics was investigated by NMR, FTIR, Raman, EPR, TG/DTA, and XRD. The results show a phaseseparation of amorphous matrix and a graphitization of “free” carbon phase, and suggest that the boron doping has a great influence on the structural evolution. The electric and dielectric properties of the SiCN and SiBCNs were studied by I-V curves, LCR Meter, and network analyzer. A new electronic conduction mechanism and structure model has been proposed to account for the relationships between the observed properties and microstructure of the materials. Furthermore, the SiBCN ceramics showed the improved dielectric properties at characterization iv temperature up to 1300 ºC, which allows the fabrication of ultrahigh-temperature wireless microsensors for extreme environments.