Corrélations entre les propriétés optiques, diélectriques et mécaniques de l'alumine

• Auteur / Autrice : Julien Vallayer
• Direction : Daniel Treheux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ingénierie et fonctionnalisation des surfaces (Ecully, Rhône....-2003)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés optiques

Diélectriques

Propriétés mécaniques

Propriétés électriques

Alumine

Résumé

De nombreuses études réalisées sur les céramiques montrent l'importance de prendre en compte plusieurs domaines de la physique afin de dégager le comportement général de ces matériaux isolants, En particulier, il est intéressant d'étudier et de corréler les propriétés mécaniques et électriques des céramiques afin de comprendre certaines transitions brutales (problèmes d'usure sévère et d'usure douce au cours d'essais de frottement ou phénomènes associés au claquage diélectrique) Nous avons donc choisi de suivre les comportements optiques, diélectriques et mécaniques de monocristaux d'alumine a (le saphir) après différents traitements thermiques. Tout d'abord, des essais de cathodoluminescence ont mis en évidence l'effet du recuit sur la concentration en défauts, principalement les lacunes d'oxygène. Ensuite, l'analyse par SEMM complétée par la mesure des charges d'influence a permis de préciser le rôle important joué par ces défauts sur le piégeage de charges électriques dans le saphir. Ces mesures ont également montré l'évolution de l'état de piégeage en fonction de la température d'échantillon (entre -150 °C et +200 °C). En fait, la technique de caractérisation diélectrique développée au laboratoire IFoS permet de suivre le piégeage et l'étalement de charges injectées dans un matériau diélectrique. Enfin, des essais de frottement réalisés à faible pression de contact (environ 0,25 MPa) ont confirmé l'importance de prendre en compte la présence de charges électriques piégées dans un système tribologique. Ces charges apparaissent par triboélectrification des antagonistes au cours du frottement et suivant le nombre de sites de piégeage présents dans les échantillons, une quantité de charges plus ou moins importante est crées dans les pièces en mouvement. Ainsi, avec nos conditions d'essais, les phénomènes de piégeage-dépiégeage lors du frottement expliquent la variation du coefficient de frottement en fonction de la quantité de défauts dans les échantillons. A la suite de ces essais réalisés pour différents recuits sous air, nous avons cherché à modifier non pas la quantité de défauts mais leur état électronique. Pour cela nous avons utilisé un rayonnement ultraviolet de faible énergie (moins de 5 eV). Le comportement optique des échantillons irradiés indique que les lacunes d'oxygène chargées sont ''vidées'' de leurs électrons et un échange de charges apparaît avec les lacunes d'aluminium. Ce réarrangement électronique entraîne l'augmentation de la capacité du matériau à piéger des charges et confirme l'importance des lacunes d'oxygène pour déterminer l'état de piégeage du saphir. Enfin, la quantité de charges piégées lors de la triboélectrification étant plus important, l'énergie dissipée dans le système tribologique est plus élevée après l'irradiation et le coefficient de frottement augmente. Ce travail a donc permis de montrer l'importance des défauts (concentration et état électronique) sur les différents comportements du saphir.