Dislocations et nanomécanique dans l'alumine à l'aide de simulations atomistiques

Dislocations and nanomechanics in Alumina using atomistic simulations

• Auteur / Autrice : Qinqin Xu
• Direction : Jérôme Chevalier, Jonathan Amodeo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Karine Masenelli-Varlot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Chevalier, Jonathan Amodeo, Karine Masenelli-Varlot, Laurent Pizzagalli, Philippe Carrez, Marie-Ingrid Richard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Pizzagalli, Philippe Carrez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Propriétés mécaniques

Alumine

Mots clés libres

Matériaux

Alumine alpha

Nanoparticule

Dynamique moléculaire

Comportement mécanique

Déformation

Contrainte mécanique

Matériau céramique

Compression

Mécanisme de déformation

Echelle atomique

Materials

Alpha-Alumina

Nanoparticle

Molecular dynamics

Mechanical behavior

Deformation

Mechanical stress

Ceramics

Compression

Deformation mechanism

Atomistic scale

Résumé

Les nano-objets sont particulièrement intéressants pour leurs excellentes propriétés mécaniques. Alors que les nanocristaux métalliques sont générallement caractérisés par unelimite d’élasticité accrue, une contrainte à la rupture augmentée tout comme par un accroissement global de leur ductilité en compression, très peu de choses sont connues pourles autres classes de matériaux comme les nanocristaux céramiques. Il a récemment étémontré que des nanoparticules d’oxides de magnesium et d’aluminium pouvaient être dé-formées plastiquement à forte contrainte sans signe de rupture ce qui pourrait avoir desimplications importantes dans le domaine de l’élaboration des matériaux céramiques (no-tamment lors de leur compaction). Néanmoins, les mécanismes de déformation ont ététrès peu caractérisés dans ces nanoparticules, notamment dans le cas des nanocristaux d’Al2O3. Dans cette étude, nous proposons d’étudier les propriétés mécaniques et les mécanismesde déformation de nanoparticules d’alumineαpar dynamique moléculaire. Tout d’abord, plusieurs propriétés du matériau massif sont calculées, étudiées et comparées à la littérature existante. Entre autres, les paramètres de maille, constantes élastiques, énergies defaute d’empilement et de surface ainsi que les caractéristiques de la dislocation coin dansle système de glissement basal sont simulées afin d’étuder la transférabilité de plusieursformalismes de potentiels interatomiques. Parmi les potentiels testés, le potentiel à troiscorps de Vashishta a montré les meilleures aptitudes pour les applications visées dans lasuite de l’étude. Ensuite, nous avons simulé en dynamique moléculaire des tests de compression sur des nanoparticules d’alumine en fonction de l’orientation de la sollication et dela température. Une analyse détaillée du comportement mécanique et des mécanismes dedéformation a été réalisée pour plusieurs tailles de nanoparticules. Les résultats sont discutés au regard d’expériences de nanomécaniques récentes et de travaux pionniers réalisés dans l’alumine massive.

The study of nano-objects is of particular interest due to their outstanding mechanicalproperties. While metal nanocrystals are generally characterized by high yield strength and ductility under extreme compressive stress, very few is known about other classes of materials including ceramic or semi-conductors. Recently, it was shown that ceramic nano-particles such as aluminum or magnesium oxides could plastically deform under high stress without cracking what might have significant implications for the sintering and compaction of nanocrystalline ceramics. However, only few evidences of the elementary deformation processes were addressed so far, especially in the case of α-Al2 O3 nanocrystals. In this study, we propose to investigate α-Al2 O3 nanoparticle mechanics using molecular dynamics simulations. Firstly, several α-Al2O3 bulk properties as lattice and elastic constants, stacking-fault and surface energies as well as basal edge dislocation features as compared to existing experimental/numerical literature are investigated to test the transferability of various interatomic force fields to the nanomechanical field. Among all the tested parameterizations, the 2/3-body Vashishta interatomic potential has shown to be particularly adapted to the overall study. Secondly, nanoparticle compression tests are modeled as function of orientation and temperature including a detailed analysis of dislocation-based mechanisms for several sizes of α-Al2O3 nanoparticles. Results are discussed in the context of recent nanomechanics experiments as well as pioneer works performed on bulk alumina.