L'objectif de ce travail était de comprendre les mécanismes menant à la formation de SiC-3C sur substrats de SiC hexagonaux lors de la croissance par mécanisme Vapeur-Liquide-Solide (VLS) à partir d'une phase liquide Si-Ge. Notre étude s'est concentrée sur les premiers instants de l'interaction liquide/SiC, c'est-a-dire sans ajout de phase gazeuse réactive (propane). Nous avons montré qu'il se formait très rapidement des îlots de SiC-3C à la surface des germes. L'étude en fonction de divers paramètres (température et durée de plateau, vitesse de chauffage, nature du germe) a permis de mettre en évidence l'influence prononcée du creuset en graphite dans lequel est confinée la réaction. Les observations expérimentales associées à des calculs thermodynamiques ont permis de montrer que l'étape prépondérante, pour la formation du 3C, est sans doute la réaction transitoire entre un liquide très riche en germanium et le germe de SiC. Des considérations d'ordre cinétiques sont cependant à prendre en compte pour expliquer le caractère hors équilibre de la réaction / The aim of this work was to understand the mechanisms that lead to the 3C-SiC formation on hexagonal SiC substrates during the Vapor-Liquid-Solid (VLS) growth from a Si-Ge liquid phase. Our study focused on the early stages of the liquid/SiC interaction, i.e. without reactive gaseous phase (propane) addition. We have shown that 3C-SiC islands were very rapidly formed upon seeds surface. The study of several parameters (such as temperature and duration of the plateau, heating rate, nature of the seed) evidenced the huge influence of the graphite crucible that contains the reaction. Experimental observations combined with thermodynamic calculations show that the most important step for the 3C formation, is the transient reaction between a germanium very rich liquid and the SiC seed. Kinetic effects have to be taken into account to explain the out-of-equilibrium nature of the reaction.

Les travaux de cette thèse ont été menés dans le cadre d’une collaboration entre les laboratoires SATIE et LTN IFSTTAR. Ils portent principalement, sur l’étude de la robustesse des composants JFET SiC de puissance pour des applications de découpage à haute fréquence, forte puissance surfacique et à haute température lorsqu’ils sont soumis à des régimes extrêmes de fonctionnement. Les travaux présentés traitent également de façon plus générale l’étude de la durée de vie de packaging dédiés à ce type de composants et adaptés à la haute température pour des applications aéronautiques. La robustesse de différents lots des VJFETs SiC d’un fabricant particulier (SemiSouth) a été étudiée en régimes d’avalanche et de court circuit afin de déterminer les énergies que peuvent supporter ces composants dans ces modes de fonctionnement particuliers en cherchant notamment à quantifier la température du cristal et à mettre en évidence les mécanismes physiques à l’origine des défaillances. Nous avons ainsi également développé un modèle éléments finis thermique afin d’estimer la température de jonction du JFET SiC lors des régimes extrêmes pour chercher à relier l’apparition de la défaillance à la température. Finalement, nous décrivons des mécanismes physiques à l’origine des dégradations lors de la répétition de tels régimes extrêmes de fonctionnement expliquant à terme la destruction par vieillissement des transistors. Un substrat céramique à base de Si3N4 a été le support des études menées dans le cadre de cette thèse sur le packaging. Nous avons caractérisé les dégradations de ces substrats par des analyses acoustiques après vieillissement par cyclage thermique de forte amplitude. Un modèle thermomécanique a été développé afin d’estimer les contraintes mécaniques dans l’assemblage et valider les résultats expérimentaux obtenus. Enfin, nous avons également initiés des travaux de diagnostic thermique sur des puces JFET SiC, par des mesures d’impédance thermique pouvant être utilisées pour la détection de défauts de délaminage dans un assemblage de puissance. / The work presented in this thesis was conducted between SATIE and LTN IFSTTAR laboratories. It focuses on the study of the robustness of SiC power components subjected to hard working conditions for high switching frequency, high power density and high temperature applications. The work also presents a study on the robustness of a dedicated package adapted to high temperature applications. The robustness of several SiC VJFETs from a particular manufacturer (SemiSouth) was studied in avalanche and short circuit modes in order to estimate the energies that can withstand these components in these operating modes. The experimental protocol also includes thermal models to quantify the crystal temperature and to highlight the ageing physical mechanisms causing failure. Therefore, we had developed a finite element model to estimate the thermal junction temperature of the SiC JFET in extreme working conditions to try to relate the failure to the maximum temperature reached after each cycle. Finally, we described the physical mechanisms behind the degradations that explain ultimately the destruction of ageing transistors under repetitive avalanche mode. A ceramic substrate made of Si3N4 has been the support of studies conducted in this thesis on the packaging reliability. We characterized the degradation of these substrates by acoustic analysis after ageing by thermal cycling of high amplitude. A thermo-mechanical model was developed to estimate the mechanical stresses in the assembly and validate the experimental results. Finally, we have initiated thermal diagnostic studies on SiC JFET chips. We have shown that thermal impedance measurements can be used for the detection of delamination defects in a power assembly.

Des revêtements céramiques sont obtenus par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par injection liquide pulsée (DLICVD) de précurseurs organométalliques. Des dépôts de carbure de chrome (CrCx) sont élaborés dans un réacteur tubulaire à paroi chaude à partir d’une solution de bis(benzène) chrome dans du toluène pour des températures de 475 °C et sous pression partielle d’azote (pression totale 50 Torr). Une couche d’accroche pouvant être nécessaire pour revêtir des pièces métalliques, tels des aciers et alliages, par un revêtement céramique non-oxyde de type CrCx, des couches de chrome métallique (Cr) et des carbures mixtes Cr-Si-C ont également été élaborées par ce procédé DLICVD. Ainsi, l’ajout d’un additif à base de chlore ou de soufre (par exemple l’hexachlorobenzène ou le thiophénol) dans la solution BBC/toluène permet la déposition de films de chrome métallique (Cr) à 475 °C. De plus, l’utilisation d’une solution de précurseur contenant simultanément du Si et du Cr tel que le tetrakis(trimethylsilylmethyl)chromium dans du toluène mène au dépôt d’un carbure mixte Cr-Si-C pouvant jouer le rôle d’interphase dans des assemblage céramique-métal. Des films de carbure de silicium (SiC) sont obtenus à partir de deux précurseurs (1,3 disilabutane et polysilyléthylène) injectés purs ou en solution également dans du toluène. Les dépôts sont faits dans une gamme de température comprise entre 700 et 800 °C, sous pression partielle d’azote (pression totale 50 Torr). Les films obtenus sont des films amorphes de SiC contenant une faible quantité d’hydrogène (provenant du mécanisme de décomposition des précurseurs) : a-SiC:H. Les films sont stœchiométriques dans le cas de l’injection de précurseur pur, et quasi stœchiométrique lorsque les précurseurs sont dilués dans du toluène. Les films amorphes tels que déposés deviennent nanocristallins en présentant la structure cubique du SiC après recuit sous vide à 1000 °C. L’influence du solvant (toluène) sur la composition, la morphologie et la vitesse de croissance des dépôts est discutée en fonction des systèmes chimiques étudiés et des conditions expérimentales, en particulier les conditions locales dans le réacteur DLICVD telles que les gradients de température et de concentration. Des films de carbure de hafnium (HfC) sont également élaborés par le même procédé à partir d’une solution de bis(cyclopentadiényl)diméthyl hafnium dans du toluène après avoir testé plusieurs précurseurs. Une température de 750 °C est utilisée et l’utilité d’une pression partielle de dihydrogène dans le gaz vecteur azote est démontrée (pression totale 50 Torr, 423 sccm de N2 et 77 sccm de H2). Tels que déposés, ces films sont riches en carbone (C-rich HfCx) et ont une structure quasi-amorphe. Ils deviennent nanocristallins après recuit sous vide à 1000 °C. Enfin, la mise en œuvre de films multicouches céramiques par DLICVD à paroi chaude est mise en évidence par l’élaboration de revêtements multicouches HfC/SiC à 750 °C, sous pression partielle d’un mélange de gaz vecteur N2/H2. Le contrôle du procédé permet une nano structuration de ces revêtements multicouches jusqu’à une bi-période de 100 nm (empilement de 100 couches d’environ 50 nm chacune). La stabilité thermique de ces architectures et des tests préliminaires de résistance à l’oxydation à haute température des films de SiC et HfC/SiC sont discutés. / Ceramic coatings are made from metalorganic precursors by a chemical vapour deposition process assisted by pulsed liquid injection (DLICVD). Chromium carbide (CrCx) films are grown in a tubular hot wall reactor from a solution of bis(benzene)chromium in toluene under partial pressure of nitrogen at 475 °C (total pressure set at 50 Torr). Bonding layers are useful on metallic components, such as steels and alloys, with non-oxide ceramic films such as CrCx, to that purpose metallic chromium (Cr) and mixed carbides Cr-Si-C have been made by DLICVD. Furthermore, adding a chlorinated or sulfur based additive (e.g. hexachlorobenzene or thiophenol) in the BBC/toluene solution allows depositing metallic chromium (Cr) at 475 °C. Moreover, using a precursor containing Si and Cr as tetrakis(trimethylsilylmethyl)-chromium in toluene leads to the deposition of Cr-Si-C mixed carbide. Silicon carbide films are made from two precursors (1,3-disilabutane and polysilylethylene) that have been injected either pure or diluted in toluene. A temperature range of 700 to 800 °C has been used under a partial pressure of nitrogen (total pressure of 50 Torr). SiC films are amorphous and contain a small quantity of hydrogen (hydrogen comes from precursor pyrolysis mechanism): a-SiC:H. Films are stoichiometric when pure precursors are injected, and quasi stoichiometric when precursors are diluted in toluene. As deposited coatings are amorphous and become nanocristalline (cubic SiC structure) after annealing at 1000 °C under vacuum. The influences of the solvent (toluene) on the composition, morphology and growth rate are discussed as a function of the chemical system and experimental conditions, in particular reactor gradient conditions such as temperature and precursors concentration in gas phase. Hafnium carbide films are also made using a solution of bis(cyclopentadiényl)diméthyl hafnium in toluene by the same process. Temperature is set to 750 °C and hydrogen partial pressure has been shown useful (total pressure of 50 Torr, 423 sccm of N2 and 77 sccm of H2). As-deposited films are C-rich HfCx and quasi amorphous. They become nanocristalline after annealing at 1000 °C under vacuum. Finally, ceramics multilayer HfC/SiC coatings were deposited by DLICVD at 750 °C under a partial pressure of a mixture of N2/H2. The process allows a good control of the multilayer nanostructure. Thermal stability and high temperature oxidation preliminary tests on SiC and HfC/SiC films are discussed.

Cette étude de la fonctionnalisation de graphène se base principalement sur la monocouche de graphène épitaxiée sur SiC. Les propriétés électroniques, structurales et les compositions chimiques du graphène fonctionnalisé sont étudiées. L'incorporation d'azote dans le graphène réalisée par les procédures à base de plasma montre un décalage de niveaux inoccupés du graphène vers EF , obtenue par les analyses spectroscopie de photoémission inverse en résolution angulaire. Ce dopage-n est attribué à la présence de graphitique-N. De plus, la configuration des espèces de N substitués dans le graphène peut être contrôlée efficacement par l'énergie, les espèces d'azote incidentes, et l'épaisseur du graphène de départ. L'hydrogénation de la couche tampon de graphène (BLG) à température variante sature les liaisons pendantes de Si de l'interface différemment, soit par la formation de nouvelles liaisons C-Si à température ambiente, soit par les hydrogènes intercalés. Le BLG devient fortement-isolant dans le premier cas, et devient une monocouche de graphène quasi-autoportante (QFSG) dans le second, permettant un nouveau concept de fabrication des dispositifs à base de graphène sur SiC. La réaction/couplage entre des molécules pi-conjugué et les graphène vierge ou fonctionnalisé est aussi étudiée. Les états inoccupés des molécules à base de perylene sont légèrement modiffiées sur le graphène dopé N à cause d'un renforcement de transfert de charge. Des réactions chimiques entre les molécules perylenes et le graphène sont observées aprés l'exposition aux électrons de basse énergie. En résumé, cette étude permettra une meilleure maîtrise des propriétés des matériaux 2D comme le graphène. / In order to promote 2D materials like graphene to their numerous applications, new methodsaltering their electronic and chemical properties have to be mastered. In this thesis, theprocesses of chemical doping and hydrogenation of monolayer graphene grown on SiC are investigated. Nitrogen atoms are successfully substituted in the graphene lattice using plasma-basedmethods. The bonding configurations of the incorporated N can be controlled via the nature and energy of exposing species and the thickness of the pristine graphene. An n-type doping, revealed by angle-resolved inverse photoemission spectroscopy (ARIPES), is found in most N-doped graphene and is assigned to the presence of graphitic-N. Hydrogenations of the buffer layer of graphene (BLG) on SiC at ambient or high temperatures saturate the remaining Si dangling bonds at BLG/SiC interface in two different ways, either by inducing additional C-Si bonds or by H intercalation. This results in 2D materials with distinct characters, an insulating, graphane-like H-BLG or a quasi-free-standing graphene, which may be used as a new concept for the engineering of graphene-based devices. The interactions between pi-conjugated molecules and the functionalized graphene are also investigated. The unoccupied states of molecules are altered by the presence of incorporated N, but the degradation of molecules due to low-energy electron exposure seems not enhanced by the doping nitrogen under the studied conditions. Nevertheless, the functionalization of graphene is demonstrated and its electronic and chemical properties are carefully studied, which should help to faster further applications employing functionalized graphene.

Descreve-se o desenvolvimento de um método de análise por injeção sequencial para determinação de glifosato em formulações comerciais por voltametria de onda quadrada em eletrodo de gota de mercúrio. O glifosato foi derivatizado em modo estacionário com ácido nitroso para produção de N-nitroso glifosato, que é eletroativo. Os limites de detecção (LD) e quantificação (LQ) foram 0,7 e 2,4 mg L-1 (4 e 14 µmol L-1), respectivamente. O método foi aplicado a três formulações, obtendo resultados que diferiram do valor indicado pelo fabricante por -2,6, -0,8 e -28%. Em seguida descreve-se o desenvolvimento de um método de injeção seqüencial para a determinação fluorimétrica de glifosato, Esse método baseou-se em uma primeira etapa de conversão de glifosato a glicina por reação com hipoclorito de calcio, seguida por reação com o-ftaldialdeído na presença de 2-mercaptoetanol (OPA-MCE) em tampão borato (pH> 9) para produzir o composto fluorescente (2\'-hidroxietiltio)-2-N-alkilisoindol (excitação em 340 nm e emissão em 450 nm). O método apresentou resposta linear para concentrações entre 0,25 e 25,0 µmol L-1, com LD e LQ de 0,08 e 0,25 µmol L-1 (14 e 42 µg L-1), respectivamente, e frequência de amostragem de 18 análises por hora. O método foi aplicado para estudar as propriedades de adsorção / dessorção em um solo e em uma amostra de sedimento. Os dados das isotermas de adsorção e dessorção foram tratados pelas equações de Freundlich e Langmuir, que permitiram estimar uma capacidade de adsorção de 1384 ± 26 e 295 ± 30 mg kg-1 para as amostras de solo e sedimento, respectivamente. A determinação de glifosato e AMPA em amostras de água foi realizada por cromatografia por injeção sequencial com detecção fluorimétrica explorando as mesmas reações com hipoclorito e OPA-MCE. A solução transportadora com papel de fase móvel foi composta por mistura metanol: tampão fosfato 10 mmol L-1 (pH 6,8) na proporção 25:75 (v v-1). A frequência de amostragem foi de 6 análises por hora, com LD e LQ de 0,14 e 0,42 µmol L-1 para AMPA e 0,11 e 0,33 µmol L-1 para glifosato, respectivamente. Testes de adição e recuperação em amostras de águas naturais enriquecidas com 0,50 µmol L-1 desses compostos levaram a taxas de recuperação de 82 a 140% para AMPA e de 84 a 96% para glifosato. Investigou-se o efeito do herbicida em cultivos de duas espécies de microalgas marinhas - a Chlorophyta, Tetraselmis gracilis e a diatomácea, Phaeodactilum tricornutum. Para isso adicionou-se diferentes concentrações de glifosato (2 a 1000 mg L-1) a cultivos crescendo em fase exponencial. Doses de 2 e 50 mg L-1 provocaram leve aumento de crescimento algal quando comparados com o cultivo controle sem glifosato. O rendimento quântico da fotossíntese aumentou levemente em alguns dias no cultivo de P. tricornutum em concentrações baixas de glifosato. Na concentração de glifosato de 200 mg L-1 houve declínio do crescimento e acentuada queda do rendimento quântico da fluorescência da fotossíntese. Perfis dos aminoácidos aromáticos, tirosina, triptofano e fenilalanina apresentaram diferenças nas algas. / We describe a development of a voltammetric method for determination of glyphosate in commercial formulations using sequential injection analysis to carry the sample to a flow cell adapted to the capillary of a mercury drop electrode. Glyphosate is batch-derivatized with nitrous acid in hydrochloric acid to produce N-nitroso glyphosate, which is electroactive. The limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) were 0.7 and 2.4 mg L-1, respectively. The method was applied to three formulations, obtaining results that differed from the value indicated by the manufacturer by -2.6, -0.8 and -28%. Next, the thesis describes the development of a sequential injection method to automate the fluorimetric determination of glyphosate based on a first step of oxidation to glycine by hypochlorite, followed by reaction with o-phthaldialdehyde in presence of 2-mercaptoethanol (OPA-MCE) in borate buffer (pH>9) to produce a fluorescent 1-(2´-hydroxyethylthio)-2-N-alkylisoindole. The proposed method exhibited a linear response for glyphosate concentrations between 0.25 and 25.0 µmol L-1, with LOD and LOQ of 0.08 and 0.25 µmol L-1, respectively. The sampling rate of the method was 18 samples per hour. The method was applied to study adsorption/desorption properties in a soil and in a sediment sample. Adsorption and desorption isotherms were properly fitted by Freundlich and Langmuir equations, leading to adsorption capacities of 1384 ± 26 and 295 ± 30 mg kg-1 for the soil and sediment samples, respectively. Determination of glyphosate and AMPA in water samples was performed by sequential injection chromatography (SIC) with fluorimetric detection by exploiting the same reactions with hypochlorite and OPA-MCE. The carrier solution plays a role of mobile phase, being composed of 25:75 (v v-1) methanol : 10 mmol L-1 phosphate buffer (pH 6.8). The chromatographic step enhanced the method selectivity. The sampling throughput was 6 analyzes per hour with LOD and LOQ of 0.14 and 0.42 µmol L-1 for AMPA and 0.11 and 0.33 µmol L-1 for glyphosate, respectively. Recovery tests in natural water samples enriched with 0.50 µmol L-1 in the compounds led to recovery rates from 82 to 140% for AMPA and 84 to 96% for glyphosate. We investigated the effect of the herbicide on cultivation of two species of marine microalgae - the Chlorophyta, Tetraselmis gracilis and the diatomaceous Phaeodactilum tricornutum. To achieve this goal, different concentrations of glyphosate (2 to 1000 mg L-1) were added to cultures growing in exponential phase. Doses between 2 and 50 mg L-1 caused a slight increase in algal growth compared to the control culture without glyphosate. The quantum yield of photosynthesis increased slightly in some days in the cultivation of P. tricornutum at low concentrations of glyphosate. The glyphosate concentration of 200 mg L-1 decreases the cell growth and caused a marked decline in the fluorescence quantum yield of photosynthesis. Profiles of aromatic amino acids, tyrosine, tryptophan and phenylalanine differed in the algae

Introduzido na década de 1970, o glifosato figura entre os herbicidas mais consumidos em todo mundo. Devido a características como baixa toxicidade aguda a organismos não-alvo e alta eficiência na eliminação de plantas daninhas, o herbicida se tornou um sucesso de vendas, com um substancial incremento em sua utilização após o desenvolvimento de culturas geneticamente modificadas para tolerar o ingrediente ativo. O elevado consumo do glifosato vem se tornando uma preocupação para diferentes agências ambientais e de saúde. Consequentemente, métodos eficientes para a determinação e quantificação do herbicida se fazem necessários. Na presente dissertação, aprimorou-se um método que utiliza um sistema de análise de injeção sequencial por cromatografia líquida (SIC) com detecção por fluorescência para a determinação de glifosato e seu principal produto de degradação, o ácido aminometilfosfônico (AMPA), em amostras ambientais. Os limites de detecção (LD) e quantificação (LQ) para o glifosato foram 0,10 e 0,33 ԁmol L-1, respectivamente. Já para o AMPA, LD foi de 0,07 µmol L-1 e LQ de 0,22 µmol L-1. O método foi empregado na determinação das espécies em amostras de água fortificadas e gerou valores de recuperação entre 97,2 a 151,5% para o AMPA e 74,6 a 140,5% para o glifosato. Quando empregado em um estudo de adsorção-dessorção, o método foi capaz de produzir valores dos parâmetros de Freundlich e Langmuir comparáveis aos encontrados na literatura. Com qmax = 2,1 ± 0,1 µmol g-1 e KF = 0,53 ± 0,07 µmol1-1/n L1/n g-1, o Latossolo B se mostrou como o solo com maior capacidade de adsorver o glifosato. Em termos de dessorção, o percentual dessorvido ficou abaixo de 55% da quantidade inicialmente adsorvida para as concentrações trabalhadas. / Introduced in the 1970, glyphosate figures among the most used herbicides in the world. Due to characteristics such as low acute toxicity to non-target organisms and high efficiency regarding the elimination of weeds, the herbicide has experienced a huge success in terms of safes. Since genetically modified crops that tolerate the active ingredient have been developed, these safes have continued to increase. Glyphosate\'s high consumption has become a concern to different environmental and health agencies. As a result, efficient methods for the determination of glyphosate and its main metabolite, aminomethylphosphonic acid (AMPA), are necessary. This dissertation describes improvements in a sequential injection chromatography method for the determination of glyphosate and aminomethylphosphonic acid in environmental samples. The limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) for glyphosate is 0.10 e 0.33 µmol L-1, respectively. LOD of 0.07 µmol L-1 and LOQ of 0,22 µmol L-1 is registered for AMPA. The method was employed for the determination of both species in spiked water samples and recovery values between 97.2 a 151.5% was obtained for AMPA and between 74.6 a 140.5% for glyphosate. When used in an adsorption-desorption study, the method was capable of generating values for the Freundlich and Langmuir parameters that are similar to those found in the scientific literature. With a qm\" of 2.1 ± 0.1 µmol g-1 and KF = 0.53 ± 0.07 µmol1-1/n L1/n g-1, Latossolo B was the soil sample with the largest glyphosate adsorption capacity. Regarding desorption, the percentages desorbed were beiow 55% of the initial mass of glyphosate adsorbed for the concentrations used.

As cerâmicas a base de carbeto de silício, SiC, tem muitas aplicações na engenharia devido às suas excelentes propriedade mecânicas, térmicas e químicas. Para a produção de cerâmicas de SiC com propriedades específicas, seu processamento deve ser escolhido de maneira a se produzirem microestruturas adequadas para cada aplicação. Para isso, na maioria das vezes, essas cerâmicas são sinterizadas via fase líquida, usando como aditivos formadores dessa fase misturas de óxidos de alumínio e algumas terras raras. Esta dissertação tem dois objetivos principais: implantar o método SEVNB no Departamento de Engenharia de Materiais (DEMAR), na Escola de Engenharia de Lorena (EEL), para medida de KIC, propriedades mecânicas que, muitas vezes, limita aplicações das cerâmicas, e introduzir mais dois óxidos de terras raras para formação da fase líquida na sinterização do SiC, os óxidos de disprósio e itérbio. Após a mistura e secagem das matérias primas, os pós foram prensados com dupla ação de pistões e isostaticamente, e em seguida foram sinterizados em atmosfera de argônio utilizando seis ciclos diferentes para cada sistema de aditivos. Após sinterização as amostras foram caracterizadas e entalhadas com lâmina de barbear utilizando pastas diamantadas de 6 e 0,25 ?m e flexionadas em 4 pontos. Os resultados mostraram uma maior densificação para o sistema de aditivos Al2O3/ Yb2O3, de aproximadamente 97% da densidade teórica, prensados a 400 MPa e sinterizados na temperatura de 1950ºC por 1 hora, com formação de ?-SiC, DyAG e YbAG em todas as temperaturas estudadas. A máquina fabricada para entalhamento das amostras se mostrou eficiente, produzindo raios de entalhes atendendo a norma ISSO 23146:2008. Quanto as propriedades mecânicas, o sistema com itérbia possui os maiores valores de módulo de elasticidade e dureza, porém menor tenacidade à fratura em relação a cada ciclo de sinterização, resultado que sugere a influência do raio catiônico das terras raras formadoras da fase secundária nas cerâmicas a base de SiC. / The silicon carbide, SiC, has many applications in engineering due to its excellent mechanical, thermal and chemical properties. For the production of SiC ceramics with specific properties, the processing should be chosen to produce microstructures suitable for each application. For this reason, in most cases, these ceramics are liquid phase sintered using additives such as formers of this phase mixed oxides of aluminum and certain rare-earths. This dissertation has two main objectives: to implement the method SEVNB at Department of Materials Engineering (DEMAR), Engineering School of Lorena (EEL), to measure KIC, mechanical propertie, which often limits the ceramic\'s applications, and introduce two more rare-earth oxides for the formation of liquid phase sintering SiC, dysprosium and ytterbium oxide . After mixing and drying, the powders were pressed with a double acting piston and isostatically, and then sintered in an argon atmosphere using six different cycles for each additive system. After sintered, samples were characterized and V-notched using a razor blade and diamond pastes of 6 and 0.25 ?m and four-point flexured. The results showed a higher densification for the system Al2O3 / Yb2O3, approximately 97% , pressed at 400 MPa and sintered at a temperature of 1950 ° C for 1 hour, with formation of ?-SiC, DyAG and YbAG at all temperatures studied. The machine used to notched the samples proved to be effective, producing notch root according to the standard ISO 23146:2008. As for the mechanical properties, the system with ytterbium oxide has higher values of elastic modulus and hardness, but lower fracture toughness for each sintering cycle studied, result that suggests the influence of the rare-earth\'s cationic radius that forming the secondary phase in the SiC.

Les composites à matrice céramique SiC/SiC sont des matériaux prometteurs pour le remplacement des superalliages dans les moteurs pour l’aviation civile et militaire. La matrice de SiC des composites est réalisée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le précurseur actuellement utilisé à l’échelle industrielle est le méthyltrichlorosilane (MTS, CH3SiCl3) dilué dans le dihydrogène (H2). Ce système chimique peut dans certains cas conduire à des écarts à la stoechiométrie des dépôts ainsi qu’à des gradients de densification au sein du composite final. Deux nouvelles molécules ont été envisagées dans le cadre de la thèse pour remédier aux inconvénients du MTS. Le vinyltrichlorosilane (VTS, C2H3SiCl3), composé d’un groupement vinyle (deux carbones doublement liés), susceptible de stabiliser la liaison Si-C de la molécule et favoriser une réactivité couplée de silicium et du carbone, propice au dépôt de SiC pur. Le méthylsilane (MS, CH3SiH3), qui ne possède pas d’atomes de chlore limitant la réactivité hétérogène. Son utilisation devrait en outre permettre de réduire le traitement des effluents en sortie de réacteur.La pertinence de ces deux précurseurs a été évaluée par une approche expérimentale mettant en évidence les régimes cinétiques associés aux deux molécules et en s’intéressant à la nature du solide déposé. Cette approche est couplée à une modélisation de la phase homogène et à des mesures IRTF des gaz froids sortant du réacteur, dans le but de comprendre les phénomènes chimiques mis en jeu pendant le dépôt.À basse température, la décomposition du VTS produit des hydrocarbures réactifs qui inhibent le dépôt de SiC et conduisent à un large excès de carbone libre. Le solide devient stoechiométrique à température moyenne, au-delà d’un domaine de bi-stabilité de la vitesse de dépôt (R). C2H4 et SiCl4 sont alors majoritairement formés. Les transferts de masse (TM) limitent la vitesse de dépôt à haute température et un léger excès de C réapparait dans le solide, associé à la formation C2H2.Le système MS/Ar réagit à plus basse température que VTS/H2 et le rendement en solide est beaucoup plus élevé (seules des traces de CH4 sont détectées à haute température en sortie du réacteur). Inversement à VTS/H2, le solide est excédentaire en Si à basse température, stoechiométrique à température moyenne et, dans certains cas, riche en C à haute température (R est alors limitée par les TM).La composition, la structure et la texture des dépôts de SiC issus des deux systèmes ont été corrélées avec les conditions expérimentales (température, pression, temps de séjour). Sur substrat dense, les transitions observées traduisent des variations de concentration des précurseurs effectifs de C et de Si, voire des changements du mécanisme de dépôt. L’aptitude à l’infiltration (CVI) a également été jugée à l’aide de substrats poreux modèles. Les profils d’épaisseurs et de composition le long d’un canal traduisent l’effet du temps de diffusion des gaz le long du pore, mais aussi l’appauvrissement local en réactifs. Comparativement au système MTS/H2 testé dans des conditions de référence, des conditions plus favorables à la CVI ont été établies pour les systèmes VTS/H2 et MS/Ar. / The aim of this thesis is to understand the gas-phase mechanisms that occured during the chemical vapor deposition of silicon carbide from two precursors with different chemistry (chlorinated precursor and non-chrloinated one). Thanks to this study, optimal conditions for infiltration with these two precursors should be found.

As cerâmicas de carbeto de silício, SiC, possuem excelentes propriedades físicas, químicas e mecânicas, fazendo com que as mesmas tenham um vasto campo de aplicações. Devido à natureza altamente covalente do SiC, este possui baixo coeficiente de autodifusão, dificultando sua sinterização via fase sólida. Por esse motivo as cerâmicas de SiC devem ser sinterizadas via fase líquida, usando aditivos. A dificuldade para a expansão das aplicações das cerâmicas de SiC é a baixa tenacidade à fratura, 3-4 MPa√m . Neste trabalho foi estudada a sinterização de cerâmicas de SiC aditivadas com o sistema La2O3 - Al2O3, obtido por mistura mecânica e mistura química. Foram preparadas misturas de SiC com 10% em volume de aditivos. As amostras foram prensadas e sinterizadas; e as que apresentaram melhores resultados de densificação foram tratadas termicamente com o objetivo de reforçar in situ essas cerâmicas. Tanto as amostras somente sinterizadas quanto as sinterizadas e tratadas termicamente foram submetidas as análises de microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X, tenacidade à fratura e energia de fratura. Foram correlacionados os resultados de microestrutura e resistência à propagação de trincas. Além do aprofundamento científico na sinterização e caracterização das cerâmicas de SiC, foram também obtidas resultados de tenacidade à fratura da ordem de 6 MPa√m. / Silicon carbide, SiC, ceramics have excellent physical, chemical and mechanical properties, allowing them to be used in a vast range of applications. However, due to the highly covalent nature of SiC, its self-diffusion coefficient is low, making its solid phase difficult to sinter without additives. SiC ceramics should therefore be sintered via liquid phase using densifying additives. The expansion of SiC ceramic applications, however, is hampered by its low fracture toughness of 3-4 MPa √m . The purpose of this work was to study SiC ceramics sintered with La2O3 - Al2O3 as additive system produced by mechanical and chemical mixing. To this end, SiC mixtures were prepared containing 10% in volume of additives. The samples were pressed and sintered. The samples displaying the highest densification were heat-treated to improve their properties. All the samples, both sintered and sintered followed by heat-treatment, were subjected to analyses by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, fracture toughness and fracture energy. The result of microstructure, fracture energy and fracture toughness among them selves were then correlated. In addition to contributing to the body of scientific knowledge on the sintering and characterization of SiC ceramics, the goal of reaching fracture toughness in the order of 6 MPa √m was also achieved.

Le carbure de silicium (SiC), grâce à sa légèreté, son caractère réfractaire, sa tolérance à l’oxydation et sa faible absorption des neutrons, constitue un candidat intéressant pour des applications comme l’aéronautique, l’aérospatiale ou le nucléaire du futur. Cependant, son comportement fragile est un inconvénient majeur qu’il convient de dépasser pour ces applications. La réduction de la taille des grains à une échelle nanométrique pourrait contribuer à améliorer son comportement mécanique pour être utilisé sous forme monolithique, en tant que revêtement ou bien encore en tant que matrice dans un compositeCette thèse s’inscrit dans ce contexte, et s’intéresse à l’élaboration et à l’étude des propriétés thermomécaniques de composites à matrice SiC nanostructurée renforcée par des nanotubes de carbone. Dans un premier temps les travaux se sont portés sur l’élaboration et l’étude de l’effet de la nanostructuration de la matrice seule de SiC frittée sans ajout de frittage. Des échantillons nanostructurés (taille moyenne des grains de 100 nm) et denses à plus de 95,5% ont été obtenus grâce à la mise en place d’un procédé de dispersion efficace et à l’étude des effets des paramètres de frittage. Associés à ces hautes densités, de très bonnes duretés (jusqu’à 2200 Hv) et des ténacités convenables (3,0 MPa.m1/2) ont été atteintes. Ces travaux ont également montré l’importance primordiale de l’effet de polluants fréquemment rencontrés dans les poudres (oxygène et carbone) sur la microstructure et les propriétés mécaniques du SiC. Si l’oxygène, présent sous forme de silice ou d’oxycarbure de silicium semble favoriser les mécanismes de densification, un excès de carbone libre (3,5%m) provoque au contraire une diminution de la taille des grains et des densités. Les propriétés mécaniques (950 Hv et 2,4 MPa.m1/2) sont également sensiblement affectées. Une telle dégradation est expliquée par la localisation spécifique du carbone structuré entre les grains de SiC. La deuxième partie des travaux s’est concentrée sur l’ajout de Nanotubes de Carbone (NTC) dans la matrice SiC nanostructurée dans le but d’améliorer les propriétés mécaniques et de compenser la forte réduction de la conductivité thermique, détériorée par l’augmentation importante de la densité de joints de grains. Des crus chargés jusqu’à 5%m en NTC individualisés et répartis de façon homogène ont été réalisés. De manière similaire au carbone libre, la localisation spécifique des NTC cause une diminution de la taille des grains. L’établissement d’un réseau de percolation de NTC au-dessus de 1%m, associé à la méthode de frittage non conventionnel SPS, permet cependant d’améliorer les densités jusqu’à 97%. L’apport de NTC contribue également à l’obtention de dureté (jusqu’à 2550 Hv) et de ténacité (4,0 MPa.m1/2) plus élevées. Malgré les bonnes propriétés thermiques des NTC, l’augmentation de la densité des joints de grains amoindrit la conductivité thermique de nos composites. / Ceramic carbides materials such as SiC, due to their refractory nature and their low neutron absorption are believed to be promising candidates for high temperature nuclear or aerospace applications. However, SiC brittleness has limited its structural application. In this context this work examines in a first part the possibilities to perform dense nanostructured SiC matrix by SPS without the use of sintering additive. Indeed a reduction of grain size (below 100 nm) accompanied by a high final density seem to be the solutions to counteract the brittleness and thus to improve mechanical properties. Dense (95%) and nanostructured (grain size around 100 nm) SiC samples were obtained thanks to the realization of an effective dispersion technique and the study on the sintering parameters effect. High hardness (2200 Hv) and decent fracture toughness (3.0 MPa.m1/2) were achieved. This first work also showed the preponderant influence of recurrent pollutants (oxygen and carbon) found in SiC powders on the final microstructure and mechanical properties of sintered samples. The oxygen as silica or silicon oxycarbide seems to promote densification mechanisms while free carbon (3.5%wt) causes lower grain size and densification state. Mechanical properties with carbon are also negatively impacted (950 Hv and 2.4 MPa.m1/2). Such degradation is due by the specific localization of carbon structure between the grains. In return of the expected mechanical properties improvement by reducing the grain size, the thermal conductivity is drastically decrease of due to the phonon scattering at the grain boundaries. With the aim of reducing this effect, a second study was initiated by introducing multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) into the SiC matrix. The MWCNTs by exhibiting a high toughness could also help to enhance the mechanical properties. Green bodies with different amounts of well dispersed MWCNTs (0%wt to 5%wt) were realized. Like free carbon, MWCNTs are located between the grains and induce a reduction of grain size. However the appearance of CNTs percolation for an amount above 1%wt, with the SPS sintering technique, allows an improvement of densification up to 97%. Hardness (up to 2550 Hv) and fracture toughness (4.0 MPa.m1/2) are also achieved with the SiC/NTC composites. Despite the good thermal properties of MWCNTs, the increase of grain boundary decreases the thermal conductivity of these composites.