Propriétés thermomécaniques des matériaux réfractaires, influence de la microfissuration diffuse

Thermomechanical properties of refractory materials, influence of the diffuse microcracking

• Auteur / Autrice : Mossaab Mouiya
• Direction : Marc Huger, Jones Alami
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 01/11/2024
• Etablissement(s) : Limoges en cotutelle avec Université Mohammed VI Polytechnique (Benguérir, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences et Ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Abdelkader Outzourhit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Huger, Jones Alami, Nicolas Tessier-Doyen, Youssef Tamraoui
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : James Marrow, Vladimir Buljak, Emmanuel de Bilbao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Dilatation (thermodynamique)

Matériaux réfractaires

Mots clés libres

Matériaux réfractaires modèles à base d'Al₂TiO₅

Anisotropie de dilatation thermique

Microstructure microfissurée

Propriétés thermomécaniques non linéaires

Comportement aux chocs thermiques

Al2TiO5 based model refractory materials

Thermal expansion anisotropy

Microcracked microstructure

Nonlinear thermomechanical properties

Thermal shock behavior

Résumé

Les matériaux réfractaires sont largement utilisés dans les applications à haute température mais ne sont pas toujours enclins à résister aux chocs thermiques sévères. Pour résoudre ce problème, une microstructure incorporant des microfissures préexistantes est une solution bien connue pour améliorer la résistance aux chocs thermiques. Néanmoins, une telle microstructure endommagée nécessite une meilleure compréhension pour optimiser son design sans compromettre l'intégrité du matériau. Dans un tel contexte, le Titanate d'Aluminium (Al₂TiO₅, AT) présentant une forte anisotropie de dilatation thermique, constitue un système modèle idéal pour créer un réseau de microfissures adapté afin d'améliorer la flexibilité et le comportement à la rupture. Cette thèse étudie les propriétés thermomécaniques des matériaux réfractaires développés à base d'AT, comprenant des céramiques polycristallines et des composites alumine/AT, en mettant l'accent sur les relations entre la microstructure et les propriétés macroscopiques. Dans le cas de ces deux matériaux, les microfissures préexistantes jouent un rôle clé sur le module de Young, le comportement de dilatation thermique, la réponse contrainte-déformation en traction, l'énergie de rupture et donc la résistance aux chocs thermiques. Un effet d’hystérésis significatif sur le module de Young et l’expansion thermique en fonction de la température témoigne des mécanismes de fermeture-réouverture de microfissures. Des essais de traction uniaxiale ont mis en évidence des lois de comportement non linéaires, impactant l'énergie de rupture et la résistance aux chocs thermiques. En particulier, des essais de traction incrémentale à 850 °C ont montré des comportements antagonistes à la montée ou à la descente en température du fait de l’histoire thermique. Les composites (alumine/AT) avec des 0 à 10 % d’inclusions présentent des microfissures diffuses dues à un différentiel d’expansion thermique. Ils présentent un module de Young réduit, des lois de comportement fortement non linéaires et une déformation à la rupture plus élevée à température ambiante. Les essais de choc thermique effectués par le dispositif innovant ATHORNA pour tous les matériaux à base d'AT étudiés ont confirmé leur résilience sous gradient thermique élevé. Ces résultats fournissent des informations précieuses pour le design de futurs matériaux réfractaires avancés présentant une résistance aux chocs thermiques améliorée.

Refractory materials are widely used in high-temperature applications but are not always prone to resist severe thermal shock. To address this problem, microstructure incorporating pre-existing microcracks are already well known to improve thermal shock resistance. Nevertheless, such damaged microstructure needs a better understanding to optimize their design without compromising material integrity. In such context, Aluminum Titanate (Al₂TiO₅, AT) exhibiting a great thermal expansion anisotropy, constitutes an ideal model system for creating a tailored microcracks network in order to improve flexibility and fracture behavior. This thesis investigates the thermomechanical properties of developed AT-based refractory materials, including polycrystalline AT and alumina/AT composites, with emphasis on the relationship between microstructure and macroscopic properties. In both materials, pre-existing microcracks play a key role on Young's modulus, thermal expansion behavior, tensile stress-strain response, fracture energy, and thus thermal shock resistance. A significant hysteretic effect on Young's modulus and thermal expansion as a function of temperature indicates microcracks closure-reopening mechanisms. Uniaxial tensile tests revealed nonlinear stress-strain laws, impacting fracture energy and thermal shock resistance. In particular, incremental tensile tests at 850 °C showed contrasting behaviors during heating and cooling, attributed to thermal history. Composite materials with AT inclusions (0 - 10 wt.%) embedded in an alumina matrix exhibit diffuse microcracking due to thermal expansion mismatch. These composites exhibited reduced Young's modulus, highly nonlinear stress-strain laws, and higher strain to rupture at room temperature. Thermal shock tests performed by the innovative ATHORNA device for all studied AT-based materials confirmed their resilience under high thermal gradients. These findings provide valuable insights for the design of future advanced refractory materials with improved thermal shock resistance.