Comportement dynamique sous choc laser de verres métalliques base zirconium : D'une étude macroscopique pour des impacts hypervéloces à une étude microscopique sur la piste de changements structuraux

Dynamic behaviour of zirconium-based metallic glasses under laser shock compression : From a macroscopic study of hypervelocity impacts to a microscopic study of structural changes

• Auteur / Autrice : Yoann Raffray
• Direction : Jean-Christophe Sangleboeuf, Alessandra Benuzzi-Mounaix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Videau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Sangleboeuf, Alessandra Benuzzi-Mounaix, Anne Tanguy, Stéphanie Brygoo, Rémi Daudin, Didier Loison
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Videau, Jean-Marc Chevalier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zirconium

Cristallisation

Verres métalliques

Mots clés libres

Verres métalliques

Choc-Laser

Impacts hypervéloces

Équation d’état

Rupture dynamique

Cristallisation sous choc

Metallic glasses

Laser-Shock

Hypervelocity impacts

Equation of state

Dynamic fracture

Crystallization under shock compression

Résumé

La constante augmentation du nombre de petits débris spatiaux (≈1 mm) motive l’étude du comportement sous choc de matériaux innovants pour renforcer les blindages des structures spatiales actuellement utilisées. De précédentes études ont mis en lumière le potentiel des verres métalliques base zirconium comme matériaux de blindage lors d’expérience d’impacts hypervéloces sur une configuration de type Whipple. Dans ces travaux sur le comportement dynamique de verres métalliques du système ZrCuAl, nous avons fait le choix d’utiliser des lasers de puissance comme générateur de chocs plutôt que des lanceurs notamment pour atteindre des vitesses de déformation plus élevées (> 2×10⁷ s⁻¹) et, surtout, plus représentatives de celles générées lors d’impacts de débris spatiaux hypervéloces. Des campagnes expérimentales sur les installations du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses et du CEA ont permis : de compléter les courbes d’Hugoniot de verres métalliques massiques et sous forme de rubans ; de mettre en évidence une évolution de la limite à rupture avec la vitesse de déformation atteignant 13,6 GPa, soit presque 7 fois la valeur en quasi-statique ; d’observer de la cristallisation sous choc de la composition Zr₅₀ Cu₄₀ Al₁₀ avec des mesures de DRX sous choc ; et enfin de construire une équation d’état basée sur le modèle de Mie-Grüneisent référencée à l’isotherme de Birch.

The constant augmentation of small sizes space debris (≈1 mm) incites the study of innovative materials behaviour under shock compression to reinforce the actual space structure shields. Previous studies have highlighted the potential of Zirconium-based metallic glasses as shielding components with hypervelocity impact experiments on a Whipple shield configuration. In this work on the dynamic behaviour of metallic glasses from the ZrCuAl system, we have chosen to use high-power lasers as shock generator rather than launchers, in particular to achieve higher strain rates (> 2×10⁷ s⁻¹) and, above all, more representative of those generated during hypervelocity impacts of space debris. Experimental campaigns on Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses and CEA facilities have made it possible to: complete the Hugoniot curves for bulk metallic glasses and ribbons metallic glasses; to highlight an evolution of the spall strength with the strain rate reaching 13.6 GPa, i.e. almost 7 times the quasi-static value; to observe crystallisation of Zr₅₀ Cu₄₀ Al₁₀ composition with XRD measurements under shock compression; and finally to build an equation of state based on Mie-Grüneisen’s model considering the Birch’s isotherm formulation as a reference.