Academic literature on the topic 'Matériaux à coefficient de dilatation thermique négatif'

L'objectif de ce travail concerne l'étude de l'amorphisation sous pression (PIA) dans des aluminophosphates, qui présentent des coefficients de expansion thermiques négatif (NTE). La synthèse de ces aluminophosphates, leur stabilité en température (dilatation) ainsi que leur comportement sous pression (amorphisationant) été étudiés. Les aluminophosphates choisis pour réaliser cette étude sont AlPO4-54, premier tamis moléculaire uniforme ayant des pores (unidimensionnelles parallèles à l'axe c) de diamètre supérieur à 1 nm, et AlPO4-17, qui présente une porosité tridimensionnelle et le plus fort coefficient de dilatation thermique négatif connu dans les matériaux oxydes. Chaque matériau déshydrataté a été étudié par diffraction des rayons-X sous pression en cellule à enclume de diamants (CED). AlPO4-54 subit une transformation de phase vers AlPO4-8 sous pression avant l'amorphisation. Au contraire, AlPO4-17 qui s'amorphise à basses pressions, est extrêmement compressible et présente une instabilité élastique, avec valeur négative pour B0'. Des valeurs anormales (négatives) pour B0' sont rares et ont déjà été observées pour des cyanures et des MOF (metal organic framework). Cette instabilité semble être caractéristique des matériaux présentant une forte NTE, montrant le lien entre la NTE et la compressibilité anormale. L'influence de la basse température sur l'eau confinée dans les pores de la structure d'AlPO4-54•xH2O a été étudié par diffraction des rayons X et par spectroscopie Raman sur monocristal. Les résultats ont été comparés à des simulations Monte Carlo sur le matériau. Les résultats ont montré que les molécules d'eau en contact avec la surface de la structure du pore unidimensionnel sont plus ordonnées vers 173 K, alors que l'eau du centre du pore est restée dans un état de type verre (liquide) à toutes les autres températures étudiées. L'amorphisation d'AlPO4-54•xH2O a été suivie par diffraction des rayons X et par spectroscopie Raman in-situ sous pression dans une CED en utilisant huile de silicone et l'eau comme milieux transmetteurs de pression. Des analyses ex-situ des échantillons de la forme amorphe d'AlPO4-54•xH2O ont été réalisées par résonance magnétique nucléaire et spectroscopie d'absorption de rayons x au synchrotron Soleil (ligne LUCIA). L'analyse de la structure locale a révélé qu'un changement de coordinence est responsable pour la déstabilisation de la structure : deux molécules d'eau ont été contraintes à entrer dans la sphère de coordination de l'Al tétraédrique, devenant ainsi un site octaédrique
The aim of this study is to investigate pressure-induced amorphisation (PIA) in negative thermal expansion (NTE) aluminophosphates. The aluminophosphates AlPO4-17 and AlPO4-54 are of particular importance, the first exhibits the highest known degree of negative thermal expansion for an oxide and the second exhibits the largest pores known for zeolites with a diameter of 12 Å. These materials exhibit unusual behavior upon compression due to the softening of a large number of low frequency modes leading to pressure-induced amorphisation. The pressure-induced amorphisation in the exceptional NTE material AlPO4-17 was studied by in situ X-ray powder diffraction. AlPO4-17 shows anomalous behavior under pressure with elastic instability and negative value of B0'. Anomalous compressibility behavior may be observed in other materials that exhibit strong NTE, indicating a link between these two physical properties due by low-energy lattice vibrations. The pressure-induced phase transition of the AlPO4-54 to AlPO4-8 and the consequent amorphisation of the final structure, was studied by X-ray diffraction in situ at high pressures. The freezing of nanoconfined water in the AlPO4-54•xH2O was studied by Single Crystal X-ray Diffraction and Raman spectroscopy experiments and were compared to Monte Carlo and Molecular Dynamics simulations. Results shows that, at the pore surface, the adsorbed layer of water molecules had a crystal-like orientational order, in contrast, a cylindrical core of glassy water in the pore center is present due to the frustration arising from the curvature. The effect of H2O on the (PIA) of AlPO4-54•xH2O was studied by in situ X-ray powder diffraction and Raman spectroscopy under high pressures. Ex situ analysis were used to investigate the local structure of pressure-amorphized microporous AlPO4-54•xH2O by nuclear resonance magnetic and by X-ray absorption spectroscopy at the synchrotron Soleil (beamline LUCIA) which shows that, upon increasing the pressure, two water molecules enters in the coordination sphere of IVAl, changing the coordination from 4- to 6-fold, which destabilizes the structure

Actuellement, la qualité de l’imagerie provenant de systèmes optiques spatiaux est limitée par la taille de leurs miroirs et la masse des structures supportant le miroir. Le développement de systèmes athermiques légers (un seul matériau) constitue le principal challenge dans l’amélioration de ces systèmes. De matériaux légers, résistants mécaniquement (E/ρ3 > 10, σf > 100 MPa) et stables thermiquement (< 2,0.e-6/K) doivent être développés. Dans ce cadre, notre travail porte sur l’élaboration de composites céramiques associant un matériau à coefficient de dilatation thermique (CTE) positif résistant mécaniquement (alumine ou zircone cériée) et un matériau à CTE très négatif (tungstate de zirconium ou β-eucryptite). L'étude du tungstate de zirconium a révélé plusieurs problèmes de décomposition et de réactions avec certaines matrices oxydes, menant à l’abandon de cet oxyde dans l’élaboration des composites. Dans le cas de la β-eucryptite, un phénomène de vermiculation a été mis en évidence, conduisant à la formation d’une porosité intragranulaire. L’optimisation des paramètres de frittage a permis de limiter cette porosité. L’étude du comportement thermique de la β-eucryptite confirme que son CTE très négatif provient principalement d’un phénomène de fissuration, généré par l’anisotropie de dilatation de sa maille cristalline. Cette fissuration est dépendante de la taille des grains mais également de la taille des agrégats de grains dans le cas des poudres. Ainsi, bien que le CTE intrinsèque de la β-eucryptite soit très faible (-0,4.e-6/K), son CTE extrinsèque peut atteindre des valeurs jusqu'à -10,9.e-6/K selon les conditions d’élaboration. Dans ce travail, deux stratégies d’élaboration de composites sont étudiées. Le premier cas consiste à diminuer le CTE des matrices oxydes à partir d’une poudre de β-eucryptite non microfissurée (-0,4.e-6/K) tandis que le second cas consiste à obtenir des matériaux à CTE très faible à partir d’une poudre de β-eucryptite microfissurée (-3,0.e-6/K). Lors de l’utilisation de la matrice en zircone cériée, le taux de dopage au cérium est optimisé afin de limiter la transformation de phase de la zircone. Cette transformation, induite par les contraintes de tension exercées par la β-eucryptite, affecte la linéarité du comportement thermique du composite. Dans les deux cas d’étude, les composites denses montrent une modification du CTE intrinsèque de la β-eucryptite passant de -0,4.e-6/K à plus de +3,2.e-6/K en raison des contraintes de compression appliquées par la matrice (alumine ou zircone cériée). La relaxation de ces contraintes nécessite une sous-densification des composites. A partir de ces observations, différents composites à CTE très faible sont élaborés. Toutefois, le sous-frittage des composites associé à la microfissuration de la β-eucryptite diminuent fortement les propriétés mécaniques des matériaux ainsi élaborés
High resolution satellite imagery from space optical systems is mainly limited by the mirror size and the mass of structures supporting the mirror. Nowadays, the development of light athermal systems is the major challenge to improve these optical systems. So, light materials having good mechanical properties (E/ρ3 > 10, σf > 100 MPa) and thermal stability (< 2.0e-6/K) are required. Within this context, our project consists in processing new ceramic composites by combining positive thermal expansion coefficient (TEC) materials having good mechanical properties (alumina or ceria doped zirconia) and negative TEC materials (zirconium tungstate or β-eucryptite) The processing of zirconium tungstate-based materials showed several decomposition and chemical reactions with some oxide matrix leading to its giving up. In the case of β-eucryptite, vermicular phenomenon occurs during sintering leading to the formation of intragranular porosity. Sintering parameters optimization can limit this porosity. The study of the thermal behavior of pure β-eucryptite materials shows that the very negative TEC results from microcracking, generated by the TEC anisotropy of its crystal lattice. This microcracking depends on the grain size and the aggregate size in the case of powder materials. Despite the fact that the TEC of its lattice (called intrinsic TE C equals to -0.4e-6/K) is very low, its bulk (or extrinsic) TEC can reach values until -10.9e-6/K according to the processing conditions. In this work, two strategies for developing composites were studied. The first one consists in decreasing the matrix TEC using an uncracked β-eucryptite powder (-0.4e-6/K) while the second one consists in elaborating near zero TEC materials from a microcracked β-eucryptite powder (-3.0e-6/K). When ceria-doped zirconia is used, ceria content must be adjusted in order to limit zirconia phase transformation. This transformation is driven by tensile stresses induced by the β-eucryptite and modifies the composite thermal behavior linearity. In both studied cases, dense composites show a modification of the β-eucryptite intrinsic TEC from -0.4e-6/K to more than +3.2e-6/K as a consequence of compressive stresses applied by the oxide matrix. An uncompleted densification of composites is required to relax these stresses. Taking into account these observations, several very low TEC composites were elaborated. However, the uncompleted densification of composites and the β-eucryptite microcracking greatly decrease the mechanical properties of these materials

Les matériaux composites à matrice métallique (CMM) sont actuellement étudiés pour être utilisés dans de nombreux domaines d’application. L’une des applications potentielles concerne leur utilisation en tant que drain thermique pour les modules de puissance. Pour cette application, deux conditions sont requises : une conductivité thermique (CT) élevée pour évacuer la chaleur générée par la puce électronique et un coefficient d’expansion thermique (CTE) proche du substrat céramique (2-8×10-6 /K) utilisé dans le module de puissance.Ainsi des matériaux composites à matrice aluminium (Al : CT de 217 W/m.K et CTE de 24×10-6 /K) et à renfort plaquette de graphite (GF : CT de 1000 W/m.K et CTE de -1×10-6 /K dans le plan de la plaquette) ont été élaborés. Ces matériaux composites ont été fabriqués par Métallurgie des Poudres (MP) conventionnelle mais aussi par un procédé original nommé Flake Powder Metallurgy (FPM). Ce procédé, qui consiste à utiliser une poudre métallique à morphologie plaquette, a permis d’optimiser l’orientation des renforts plaquette dans un plan perpendiculaire à la direction de densification sous l’action d’une pression uniaxiale. De plus, ce procédé a permis d’obtenir une meilleure adhésion entre la matrice et le renfort comparé aux matériaux composites élaborés par MP conventionnelle. Cela a abouti à une amélioration de la CT qui est passée de 400 W/m.K à 450 W/m.K pour un taux de renfort de 50%vol. Néanmoins, concernant la dilatation thermique, des CTE de 21,8×10-6 /K et 21,7×10-6 /K ont été obtenus par MP et FPM respectivement, ce qui est incompatible avec l’application visée.Pour surmonter cette problématique, des matériaux composites à renfort multiple ont été élaborés par frittage en phase liquide. Ainsi des fibres de carbone (FC) ont été rajoutées à l’aluminium et aux plaquettes de graphite. L’ajout de ce second renfort au graphite a permis de diminuer de manière importante le CTE des composites Al/(GF+FC) avec une faible proportion en FC tout en maintenant une haute CT. De plus les matériaux composites Al/(GF+FC) présentent des CTE nettement inférieurs aux composites Al/FC avec un %vol. de FC équivalent. Ainsi des matériaux composites Al/(GF+FC) ont été élaborés par frittage en phase liquide permettant d’obtenir une CT de 400 W/m.K (comparable à la CT du cuivre) et un CTE de 8×10-6 /K (comparable au CTE de l’alumine). De plus la légèreté de l’aluminium confère aux matériaux composites Al/C une faible densité (d=2,4). Par conséquent, les matériaux développés dans cette étude sont prometteur en tant que drain thermique léger, notamment dans le domaine de l’électronique embarquée
Many carbon/metal composites are currently used in several applications. One of them concerns their use as heat sinks in microelectronics. Concerning this application, two conditions are required: a high thermal conductivity (TC) in order to evacuate the heat generated by the electronic chip and a coefficient of thermal expansion (CTE) similar to the used material type of the electronic device (2-8×10-6 /K).Therefore, graphite flakes (GF; TC: 1000 W/m.K and CTE: -1×10-6 /K in the graphite plane) reinforced aluminum matrix (Al; TC: 217 W/m.K and CTE: 25×10-6 /K) composites were fabricated. These composite materials were fabricated by Powder Metallurgy (PM) and Flake Powder Metallurgy (FPM). This process, which consist to use a flattened metallic powder, helped to improve the in-plane orientation (perpendicular to the pressure direction) of GF under uniaxial pressure. Moreover, this process provided a better Al-C interface thanks to a planar contact between the matrix and the reinforcements. This resulted in an improvement of the CT from 400 W/m.K to 450 W/m.K for a reinforcement content of 50 vol.%. Nevertheless, regarding thermal dilation, CTEs of 21.8×10-6 /K and 21.7×10-6 /K were obtained by MP and FPM respectively, which is incompatible with the intended application.To overcome this problem, composite materials with multiple reinforcement were developed by solid-liquid phase sintering. Then, carbon fibers (CF) have been added to aluminum and graphite flakes. The addition of CF to GF reinforcement reduced significantly the CTE of the Al/(GF+CF) composites with a small proportion of CF, while preserving a high TC. In addition, the Al/(GF+FC) composite materials have significantly lower CTEs than the Al/CF composites with a equivalent vol.% of CF. Therefore, Al/(GF+CF) composite materials were developed by solid-liquid phase sintering to obtain a TC of 400 W/m.K (comparable to the TC of copper) and a CTE of 8×10-6 /K (comparable to the CTE of alumina). In addition, the lightweight of aluminum gives composite materials Al/C a low density (d = 2.4 g/cm3). Therefore, the composite materials developed in this study are promising as a lightweight heat sink in microelectronic industries

Dans les lasers, les gradients de température dans les milieux à gain provoquent des déformations de l'onde laser qui s'y propage. Le but de ma thèse est de mesurer les propriétés thermo-optiques (conductivité thermique, coefficient thermo-optique dn/dT, coefficient de dilatation) de nouveaux matériaux lasers permettant d'atteindre des énergies élevées à de hautes cadences de tir. Ces matériaux sont des céramiques sesquioxydes de scandium Sc2O3, de lutétium Lu2O3 et d'yttrium Y2O3 dopées ytterbium. Les mesures se font à basse température (température de l'azote liquide, 77 K) car les propriétés thermiques sont améliorées lorsque la température du matériau diminue. Ces matériaux ont également été testés en configuration d'oscillateur laser relaxé, montrant ainsi tout l'intérêt de travailler à basse température. Les mesures de ces propriétés représentent un enjeu majeur pour le développement des lasers de forte puissance, d'autant plus que les données de la littérature concernant ces matériaux, dans ces domaines de température, sont quasiment inexistantes. D'autres matériaux comme des cristaux et des céramiques de YAG, des cristaux de fluorure de calcium CaF2 dopés ytterbium, et des verres phosphates dopés néodyme ont également été testés.

Dans l'industrie microélectronique, l'augmentation constante de la densité de puissance due à la miniaturisation des composants électroniques nécessite un matériau de dissipation thermique ayant une conductivité thermique élevée (CT), un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) et des propriétés mécaniques (PM) appropriées pour une dissipation efficace de la chaleur. Des métaux purs, tels que Al et Cu, ont déjà été utilisés. Cependant, ils ont des CT limitées (ex. 240 W/m.K pour Al) et leurs CTE sont trop élevés (ex. 23 10-6/K pour Al), ce qui est incompatible avec ceux des composants électroniques (ex. 4 10-6/K pour Si), conduisant à une défaillance en service due à la fatigue thermique. À cet égard, les composites à matrice métallique se sont révélés être un matériau prometteur. Les matériaux en carbone, comme le graphite, le diamant et la fibre de carbone, ayant été introduits comme renforts en raison de leurs excellentes propriétés thermiques (c'est-à-dire un CT très élevé et un faible CTE) dans une matrice Al. Dans ces travaux de thèse, des matériaux composites à matrice en Al renforcé par des plaquettes de graphite peu coûteuses et facilement usinables (ci-après appelé composite Al/Gf) ont été développés dans le but de maximiser le CT, d'adapter le CTE proche de 6 10-6/K, ainsi que d'améliorer les PM.La CT intrinsèque du Gf est hautement anisotrope, c'est-à-dire 1000 W/m.K dans le plan et 5-10 W/m.K hors du plan. Il est donc clair que la bonne orientation de Gf dans la matrice d'Al assure un CT élevée, dans la direction du plan du graphite, ainsi qu’à l’échelle du matériau produit dans cette même direction. Dans cette étude, un procédé de remplissage des poudres étape par étape, a été appliquée avec succès afin d’obtenir cet arrangement 1D conventionnel. Ainsi, les valeurs de CT théoriques prévues les plus élevées peuvent être atteintes expérimentalement. En outre, les matériaux composites 2D et 3D de Gf ont été élaborés à l'aide de pistons spécialement conçus afin d'adapter le CTE anisotrope des Gf (c'est-à-dire -1 10-6/K dans le plan et 28 10-6/K hors plan). La structure 2D permet de réduire la CTE, qui est alors compatible avec celui du matériau du substrat (voisin de 8 10-6/K), tout en maintenant une CT élevée. Enfin, les efforts ont été consacrés à renforcer la matrice Al en intégrant des nanoparticules dispersées (ex-situ) de SiC et (in-situ) de TiB2 pour améliorer les PM globales du composite Al/Gf
In the microelectronic industry, the ever increase in power density due to miniaturization of electronic components requires heat sink materials with a high thermal conductivity (TC), a low coefficient of thermal expansion (CTE), and specific mechanical properties (MP). Pure metals, such as Al and Cu, have been previously used. However, they have limited TCs (e.g. 240 W/m.K for Al) and their CTEs are too high (e.g. 23 × 10-6/K for Al), being incompatible with those of electronic components (e.g. 4 × 10-6/K for Si), leading to failures in service due to thermal fatigue. Regarding this, metal matrix composites have been proven to be promising material where carbon materials, such as graphite, diamond, and carbon fibres, have been introduced as reinforcements because of their excellent thermal properties (i.e. very high TC and low CTE). In this Ph.D. project, Al matrix composites reinforced with low-cost and easily machinable graphite flakes (hereafter called Al/Gf composite) were developed with the aim to maximize TCs, tailor CTEs close to 6×10-6/K, as well as improve MPs.The intrinsic TCs of Gf are highly anisotropic, i.e. in-plane TC of 1000 W/m.K and out-of-plane TC of 5-10 W/m.K, respectively. It is thus clear that the strong orientation of Gf in the Al matrix ensures the high TCs, along the direction of graphite plane, in the as-produced composite. In this study, a new approach to combining flake powder metallurgy with a step-by-step powder filling process was successfully applied to achieve this conventional 1D arrangement. As such, the highest TC values theoretically predicted can be achieved experimentally. Further, the 2D and 3D arrangements of Gf were made using specifically designed punches in order to tailor the anisotropic CTEs of Gf (i.e. in-plane CTE of -1 × 10−6/K and out-of-plane CTE of 28 × 10−6/K), being unavailable in the 1D arrangement. The 2D arrangement allows to achieve the reduced CTEs being compatible with those of the substrate materials while maintaining a high TCs, demonstrating the strong potential for applications. Finally, the efforts were devoted to strengthen the Al matrix by integrating dispersed (ex-situ) SiC and (in-situ) TiB2 nanoparticles to improve the overall MPs of the Al/Gf composites

Ces travaux avaient pour objectif l'optimisation des propriétés électriques des couches minces d'oxydes de fer, élaborées par pulvérisation cathodique RF à partir d'une cible de magnétite, en vue de leur intégration comme couche thermomètre dans les détecteurs infrarouge. L'influence des paramètres de dépôt tel que la cible de pulvérisation ou encore la pression de dépôt sur les propriétés physico-chimiques des couches minces a été étudiée. Pour certaines conditions particulières de dépôt, une phase wüstite (Fe1-xO) au sein d'une matrice spinelle (Fe3O4) a été mise en évidence par la présence de couplages magnétiques. Les propriétés électriques de ces couches minces couches minces biphasés Fe3O4/Fe1-xO s'étant révélées intéressantes pour l'application bolométrique, la suite de ces travaux s'est portée sur l'élaboration de films nanocomposites. Les couches minces obtenues suivant deux modes de dépôt différents (pulvérisation polarisée et pulvérisation d'une cible composite) ont ensuite été étudiées. Ces travaux ont permis de démontrer que les nanocomposites Fe1-xO/Fe3O4 sont une bonne alternative aux couches minces de magnétite pure pour une utilisation comme couche thermomètre dans les détecteurs thermiques
The aim of this research work was to optimize electrical properties of iron oxide thin films prepared by RF-sputtering of a magnetite target for uncooled thermal detector. Influence of depositions parameters like argon pressure or sputtering target on both chemical and physical properties have been studied. For particular conditions, wustite phase (Fe1-xO) embedded into magnetite (Fe3O4) matrix have been revealed by magnetic coupling effects. Electrical properties of thin films composed by Fe3O4/Fe1-xO being potentially interesting for uncooled thermal detector, the next step of this work has been about preparation of nanocomposites thin films. These thin films obtained by two sputtering operating mode (bias sputtering and sputtering of a composite ceramic target) have been studied. This research work had showed that nanocomposites Fe1-xO/Fe3O4 thin films are good materials, with higher temperature coefficient than pure spinel phase thin films, to be used for thermometer layer of thermal detector

Ce travail, motivé par un besoin industriel, a pour objectif de déterminer les propriétés thermiques et thermomécaniques de fibres micrométriques de carbone et céramique à très haute température (1000-3000 K). Afin de fournir des mesures à de telles échelles et sur une telle gamme de température, notre étude a porté sur: la modélisation des phénomènes, le développement de méthodes d'identification stables, l'optimisation expérimentale et la recherche d'erreurs. En plus de ce travail important de développement de méthodes de mesures, un effort particulier a consisté à réaliser un maximum de caractérisations susceptibles d'apporter une connaissance précise des propriétés thermiques et thermomécaniques (inconnues jusqu'à présent) des fibres de carbone. Dans la première partie, relative à la détermination des propriétés thermomécaniques des fibres, la difficulté peut se résumer à la mise en oeuvre de méthodes susceptibles de détecter avec précision, à très haute température, des variations de l'ordre de quelques nanomètres sur des matériaux dont la dimension caractéristique est d'environ 10 mm. La méthode développée permet de réaliser indifféremment des mesures du coefficient de dilatation transverse et du coefficient de Poisson. Dans la deuxième partie, on détermine d'une part la capacité thermique massique à pression constante à l'aide d'une méthode analytique et d'autre part la diffusivité thermique longitudinale par méthode inverse, ce qui nous permet d'estimer la conductivité thermique. Dans les deux cas, la difficulté liée aux échelles micrométriques et aux très hautes températures se répercute sur l'expérimentation, sur les modélisations et sur le développement de méthodes d'identifications.

La fiabilité de la simulation thermomécanique de composants de puissance est fortement liée à la précision des paramètres mécaniques tels que le module de Young (E) et le coefficient de dilatation thermique (CTE) des matériaux le constituant. La plupart du temps, les valeurs disponibles dans la littérature concernent les matériaux massifs, de plus leurs variations en fonction de la température ainsi que l'évolution de ces propriétés lors de cycles de fatigue sont rarement données. Afin de répondre à ce besoin, une technique a été développée utilisant une micro poutre bicouche (cantilever) qui possède la propriété de se courber lorsqu'elle subit un échauffement. Le module de Young et le cSfficient de dilation thermique de l'aluminium de 4µm et 10µm d'épaisseur, déposé par DC magnétron sputering, ont ainsi été mesurés avec précision. Les structures ont ensuite été soumises à des vibrations harmoniques forcées afin de caractériser l'évolution du module de Young lors de cycles de fatigue répétés. Les propriétés mécaniques des matériaux déterminées de manière expérimentale ont été implémentées dans un modèle éléments finis d'un composant de puissance à très faible résistance à l'état passant (RON) de Freescale semiconducteur. Des simulations électro-thermo-mécaniques ont été effectuées permettant d'évaluer l'impact des connexions entre la puce et le boîtier sur le RON du composant, sur la distribution des températures ainsi que sur les contraintes générées dans les matériaux.