Caractérisations et simulation du frittage de Si3Ν4 sous pression de gaz

Characterizations and simulation of Si3N4 sintering under gas pressure

• Auteur / Autrice : Thomas Grippi
• Direction : Sylvain Marinel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, génie mecanique, productique, transport et génie civil
• Date : Soutenance le 04/11/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Le Petitcorps
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Marinel, François Valdivieso, Christian Courtois, Charles Manière, Stéphanie Béhar-Lafenetre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Valdivieso, Christian Courtois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie aéronautique

Industrie spatiale

Modèles mathématiques

Simulation, Méthodes de

Céramique

Frittage (métallurgie)

Nitrure de silicium

Mots clés libres

Modelisation

Espace

Silicon nitride

Sintering

Ceramics

Simulation

Modelling

Space

Résumé

Les céramiques à base de Si3N4 sont utilisées pour les structures spatiales. Les composants spatiaux, dans un contexte optique, exigent un haut degré de précision dimensionnelle et de fiabilité. L'utilisation de ce matériau est tout à fait pertinente en raison de ses excellentes propriétés mécaniques et de sa stabilité dans des environnements critiques. La complexité du frittage en phase liquide du nitrure de silicium implique l'utilisation d'un procédé industriel avancé de frittage sous pression de gaz (Gas Pressure Sintering). Des additifs de frittage ont été développés conjointement pour faciliter le frittage de ce matériau tout en atteignant de hautes propriétés mécaniques.La simulation du comportement du matériau pendant le frittage est un processus clé pour anticiper la fabrication de grandes pièces. La thèse décrit une méthode pour la conception d'un modèle de frittage complet. A travers un plan d'expériences, des caractérisations et des identifications des paramètres de frittage, le modèle analytique est ainsi conceptualisé. Il prend en compte les aspects d'évolution de la microstructure, de densification et de gonflement. La dernière partie de la thèse se concentre sur l'implémentation de ce modèle dans un logiciel éléments finis, la modélisation de cas simples et la simulation de formes complexes. Le modèle est maintenant pleinement opérationnel pour simuler des formes complexes dans un four industriel.

Si3N4-based ceramics are used for space structures assembly. Space components, in an optical context, require a high degree of dimensional accuracy and reliability. The use of such material makes perfect sense because of its excellent mechanical properties and its stability in a harsh environment. The complexity of liquid phase sintering of silicon nitride implies the use of advanced gas pressure sintering (GPS) industrial process. Sintering additives have been jointly developed to allow the sintering of this challenging material while reaching high mechanical properties.A simulation of the behaviour of the material during the sintering is a key process to anticipate the manufacturing of large parts. The thesis depicts a method for the conception of a comprehensive sintering model. Through a complete design of experiments plan, characterisations and identifications of sintering parameters, the analytical model is conceptualized. It takes into account microstructure evolution, densification and swelling aspects. The last part of the thesis is focusing on the implementation of this model on a FEM software, the modellisation of simple case and the simulation of complex shapes. The model is now fully operational to simulate complex shapes in an industrial furnace.