Caractérisation de films de zircone yttriée et développement d’un procédé de brasage avec du TA6V pour des applications biomédicales

Characterization of yttria-stabilized zirconia foils and development of a brazing process with TA6V for biomedical applications

• Auteur / Autrice : Cécile Le Coadou
• Direction : Jean-Pierre Simonato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 02/10/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Fiqiri Hodaj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Simonato, Jérôme Chevalier, Alain Hazotte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Deville, Frédéric Bernard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocompatibilité

Brasage

Zircone

Mots clés libres

Zircone

Brasage

Biocompatibilité

Herméticité

Diffusion

Zirconia

Brazing

Biocompatibility

Hermeticity

Diffusion

Résumé

Les maladies neurodégénératives sont en forte progression dans nos sociétés, mais elles sont également mieux connues et mieux soignées. Par exemple, la stimulation cérébrale profonde est de nos jours utilisée pour lutter contre des maladies comme la maladie de Parkinson. Pour cela, un boitier semblable à celui d'un pacemaker, placé sous la clavicule, est habituellement utilisé pour délivrer des impulsions électriques dans des zones spécifiques du cerveau grâce à des électrodes. Afin d'éviter certaines complications, un boitier ultrafin a été imaginé. Il peut être placé directement au niveau du crâne, au plus proche de la zone à traiter. Les matériaux composant ce boitier doivent présenter certaines caractéristiques. Nous avons choisi de travailler avec des feuilles de TA6V et de zircone yttriée et avons réalisé un assemblage hermétique par l'obtention d'une brasure fine en Ti2Ni.Les feuilles de zircone yttriée présentent des propriétés remarquables mais elles sont notoirement dégradées par un vieillissement hydrothermal. Une étude en vieillissement accéléré a été réalisée sur les feuilles de zircone telles que reçues mais également dans des conditions proches de l'utilisation. Le vieillissement mesuré est suffisamment limité pour envisager une utilisation in vivo, avec cependant une réserve concernant les zircones sous-stœchiométriques. Enfin, le profil de vieillissement et sa vitesse de progression ont pu être précisés.L'assemblage TA6V-zircone a été réalisé par brasage réactif in situ via l'apport initial en nickel pur et la création d'un joint de brasage en Ti2Ni. Le système TA6V-Ni-ZrO2 met en jeu plusieurs phénomènes, que nous avons cherché à déconvoluer : diffusion (solide et liquide), formation et croissance d'intermétalliques et réactions d'oxydo-réduction. La croissance des intermétalliques à partir du couple TA6V-Ni a été particulièrement étudiée. Cela a permis de relier certains événements à la température et de préciser les vitesses de croissance du Ti2Ni (selon son état physique). Grâce à l'ensemble des résultats, un procédé de brasage métal-céramique adapté aux matériaux ultrafins a été d'identifié et réalisé sur système avec succès.

Neurodegenerative diseases are increasingly present in our society but they are also better known and treated. For example, deep brain stimulation is nowadays used to treat diseases such as Parkinson disease. For this purpose, a pacemaker-like device localized in the infraclavicular region is commonly used to deliver electrical pulses in concerned area of the brain thanks to electrodes. In order to avoid some complications, an ultrathin housing was designed. It could be directly implanted under the scalp, close to the area to be treated. Materials of the housing have to be display some features. TA6V, yttria-stabilized zirconia sheets and a hermetic brazing with a Ti2Ni joint were selected to develop this housing.Yttria-stabilized zirconia sheets have remarkable properties but they undergo a degradation caused by hydrothermal aging. An accelerated aging study was done on pristine sheets but also under near-reality conditions. The observed aging is sufficiently limited to consider an in vivo application, subject to one reservation for the under-stoichiometric zirconia. Finally, the aging profile and the propagation rate were specified.The TA6V-zirconia joining was obtained by an in situ reactive brazing, thanks to a filler metal in pure nickel and the formation of a Ti2Ni joint. Several phenomena occur in the TA6V-Ni-ZrO2 system, which were separately studied: (solid and liquid) diffusion, formation and growth of intermetallic compounds and redox reactions. The intermetallic compounds growth from the TA6V-Ni couple was studied in detail. Thanks to all of the results, a metal-ceramic brazing process for ultrathin materials was identified and successfully achieved on our system.