De l'influence des phénomènes de surface sur l'amortissement mécanique d'un résonateur en silice : application au Gyroscope Résonant Hémisphérique

On the influence of surface phenomena on mechanical damping of fused-silica resonator with application to the Hemispherical Resonator Gyroscope

• Auteur / Autrice : Adrien Le gentil
• Direction : Francis Baillet, Raphael Boichot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 03/07/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Rafael Estevez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Dezellus
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Tristant, Alain Billard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silice

Amortissement (mécanique)

Mots clés libres

Silice

Amortissement mécanique

Surface

Contamination

Interface

Silica

Mechanical damping

Surface

Contamination

Interface

Résumé

Les travaux de thèse présentés traitent de l'évolution de l'anisotropie d'amortissement mécanique d'un résonateur avec son état de surface et proche surface physicochimique. L'anisotropie d'amortissement étant compliquée techniquement à caractériser, les travaux sont réalisés sur l'amortissement global du résonateur. Le faible nombre d'ouvrage bibliographiques traitant de ce sujet confèrent aux travaux de thèse un fort caractère expérimental et exploratoire.Afin de faciliter les différents essais, un échantillon plan spécifique aux travaux de thèse et représentatif du résonateur industriel est mis au point.Le suivi de l'amortissement des résonateurs avec les modifications d'état de surface réalisées est assuré par la conception d'un banc de mesure de très faibles niveaux d'amortissement. Les modifications de surface sont caractérisées grâce à un faisceau de moyens de caractérisation matériaux (MEB-FEG, GXRD, Raman, XPS).Une liste de paramètres susceptibles d'impacter significativement le niveau d'amortissement mécanique de résonateurs est établie à partir de travaux de SAGEM et d'une réflexion sur le sujet.Afin d'étudier les phénomènes pouvant prendre place lors de la durée de vie du dispositif industriel (20 ans), certains résonateur subissent des traitements thermiques longues durées afin d'accélérer les évolutions des paramètres thermiquement activés. L'impact de l'atmosphère de recuit –vide secondaire, N2, O2) est aussi investigué.Les essais ont permis de mettre en évidence la contribution significative de l'eau (volume+surface) au comportement en amortissement du résonateur. Les variations engendrées peuvent être supérieures à l'amortissement initial du résonateur. Pour la métallisation, l'amortissement diminue lorsque l'adhérence du film augmente. Le niveau de contrainte du film mince déposé joue aussi un rôle significatif.Une discussion finale permet de replacer les résultats obtenus sur l'amortissement global dans la perspective de l'étude de l'anisotropie d'amortissement.

The present work is dedicated to the study of the mechanical damping anisotropy of an a-silica resonator in regard to its physicochemical state of surface. Since this anisotropy is technically difficult to investigate, global mechanical damping is used to achieve the objectives of the study. The small amount of scientific studies carried out on this issue makes this work experimental and explorative.In order to ease the different experiments, a specific sample has been designed. It respects the structure of the industrial sample, with the advantage of being plan.A list of physicochemical parameters with potential significant impact on the mechanical damping of the resonator is established through studies of SAGEM and bibliography. The hydration level (surface and volume) of the silica substrate, atmospheric contamination, alkane with different functionalization, structure and chemical composition of the metallic thin film are part of these parameters of interest. In order to investigate the evolution through the industrial device lifespan (20 years), a population of resonators is annealed. This treatment accelerates the parameters thermally activated. The influence of the atmosphere of annealing is also studied.The conception of an experimental test bench allows the characterization of the damping during the tests. Surface characterization is provided through the use of SEM, GXRD, Raman and XPS techniques. The décorrélation of the damping contribution is reached through the comparison of the different experiments.The impact on the mechanical damping of water content (surface+volume) is significant. For the thin metallic film, adhesion and stress have been identified.A final discussion enables us to adapt the results obtained on global damping to the damping anisotropy.