Synthèses innovantes à Hautes Pression et Hautes Températures de nouveaux composés du système ternaire B-C-Si

Innovative synthesis at high pressure and high temperature of new compounds in the ternary B-C-Si system.

• Auteur / Autrice : Martin Demoucron
• Direction : Yann Le Godec
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie

Mots clés

Mots clés libres

Cristallogrpahie

Synthèses HPHT

Dureté

Cristallography

High Pressure High Temperature synthesiis

Hardness

Résumé

Le carbure de Bore est une céramique de la plus haute importance pour ses propriétés mécaniques et son application dans le nucléaire. Il a été choisi comme (le seul) matériau absorbeur de neutrons des réacteurs nucléaires de génération IV : cela est dû à la fois à la présence d'isotopes 10B et à sa grande stabilité structurelle sous irradiation neutronique. Aussi, le carbure de bore est le troisième matériau industriel le plus dur connu après le diamant et le nitrure de bore cubique. C'est pour cette raison qu'il est utilisé comme matériau pour les applications de blindage et d'abrasif dans différentes machineries. Cependant, malgré le fait qu'il possède la limite élastique la plus élevée parmi toutes les céramiques sous chargement dynamique (Hugoniot de ~15-17 GPa), lorsqu'il est impacté au-delà de sa limite élastique Hugoniot (HEL), le B4C montre une chute de propriété mécanique. L'objectif de ce projet est le développement de nouvelles céramiques guidées par des calculs ab initio et thermochimiques, dans le but d'atteindre des propriétés mécaniques élevées dans un domaine de contraintes où le carbure de bore standard échoue. Nous visons l'exploration de nouvelles idées pour la modélisation et la synthèse innovante à haute pression (HP) et haute température (HT) de phases ternaires BxCSiy, dans lesquelles des atomes de silicium sont introduits pour renforcer les chaînes tri-atomiques C-B-C. En effet, jusqu'à présent, le silicium n'a été rapporté comme élément dopant qu'à pression ambiante dans la littérature. En revanche, nos calculs préliminaires montrent que la haute pression favorise la stabilité thermodynamique de certaines des compositions. Les expériences de synthèse HP-HT ex situ seront réalisées à l'IMPMC et in situ par XRD synchrotron dans les conditions (P,T) guidées par les calculs. Les échantillons seront caractérisés par des techniques conventionnelles telles que la XRD, la microscopie et la spectroscopie Raman. Cette thèse est financée par l'ANR BCSi (2022-2025).

Boron carbide is a ceramic of utmost importance for both its mechanical and nuclear properties. It has been selected as the (only) neutron absorber material of generation IV nuclear reactors: this is due to both the presence of 10B isotopes and to the high structural stability under neutron irradiation. Besides, boron carbide is the third hardest industrial material known after diamond and cubic boron nitride, and for this reason, it is used as a material for shielding applications. However, despite the fact that it has the highest elastic limit among all ceramics under dynamical loading (Hugoniot of ~15-17 GPa), when impacted beyond its Hugoniot Elastic Limit (HEL), B4C shows a gradual loss of strength. The objective of this project is the development of new ceramic(s) guided by ab initio and thermochemistry calculations, with the purpose of achieving high mechanical properties in a domain of stresses where standard boron carbide fails. We target the exploration of new ideas for the modeling and innovative synthesis at high pressure (HP) and high temperature (HT) of ternary phases BxCSiy, in which silicon atoms are introduced to reinforce the tri-atomic C-B-C chains with the help of HP-HT. Indeed, so far, silicon has only been reported as a doping element at ambient pressure in the literature. Contrastingly, our preliminary calculations show that high pressure favors the thermodynamical stability of some of the compositions. HP-HT ex situ synthesis experiments will be performed at IMPMC and in situ by synchrotron XRD in the (P,T) conditions guided by calculations. Samples will be characterized by conventional technics such as XRD, microscopy and Raman spectroscopy. This thesis is funded by the ANR BCSi (2022-2025).