La détermination des propriétés thermodynamiques permet d'une part de progresser sur la compréhension et la prédiction des comportements de matériaux existants ou nouveaux (stabilités chimique et thermique, stabilité et comportement mécanique, phases et microstructures,...) et d'autre part de fournir des données essentielles pour l'optimisation des procédés d'élaboration de ces mêmes matériaux et l'analyse de leur futur comportement dans leur environnement. Les études thermodynamiques ne peuvent se développer qu'autour d'un certain nombre d'outils spécifiques sur lesquels l'optimisation de systèmes chimiques complexes est alors possible (mise en banque de données).
Modélisations
La modélisation de type Calphad (Calculation of phase diagrams) a été appliquée à l'élaboration et au design de différents matériaux : substrats métalliques base Cu-Ni pour la synthèse des rubans supraconducteurs, couches minces de Si photovoltaïque à partir d'un bain métallique complexe à basse température (<800°C), étude des transformations de phases dans les aciers, développement de nouvelles nuances d'alliages à base de fer (Fe-Co-W) ou de magnesium (Mg-Y-Gd-Zn) et recyclage des alliages d'aluminium. Les informations expérimentales sont obtenues par différentes techniques d'analyses thermiques.
La modélisation cinétique de transformations de phases diffusives intervenant au cours de l'élaboration des aciers a été réalisée à l'aide des codes de calcul DICTRA et THERMOCALC : en particulier, ont été étudiées la transformation ferrite à austénite dans les aciers à 12% de Cr et la précipitation de nitrures au cours de la solidification d'aciers Maraging.
Thermodynamique des matériaux nucléaires
Différents thèmes sont abordés essentiellement par spectrométrie de masse haute température :
- Détermination thermodynamique pour des mélanges sels fondus à base de Th/Zr pour des réacteurs de génération IV;
- Thermodynamique des combustibles actuels à base de UO2 et futurs UC;
- Etude de la phase gazeuse du système Cs-I-O-H afin d'expliquer le comportement de l'iode lors d'un accident nucléaire grave.
Dépôts de couches minces sur silicium
La connaissance des propriétés thermodynamiques des précurseurs organo-métalliques - composition de la phase vapeur et processus de décomposition - est un des points clefs pour comprendre et à terme maîtriser les dépôts de couches minces isolantes sur silicium (Composants MOS). Les déterminations sont nécessairement faites par spectrométrie de masse et à partir d'une méthodologie du même type que celle utilisée pour les hautes températures, i.e. avec des réacteurs chimiques du type cellule d'effusion plus ou moins complexes. Une adaptation de la technique aux basses températures (-25 à 100°C) a été réalisée, et un réacteur à double étages pour le craquage des vapeurs OM a été mis au point .
Interaction oxyde - produit carboné
L'interaction à haute température entre un oxyde et un produit carboné - alumine et carbone dans le cas des fours de coulée des superalliages sous vide, et SiO2-SiC dans l'élaboration des Filtres à Particules (Diesel) - est étudiée par spectrométrie de masse haute température. La vaporisation dans ces systèmes chimiques est limitée par des phénomènes cinétiques lors de l'interaction gaz-surface. Les écarts à l'équilibre sont décrits par l'introduction des coefficients d'évaporation et de condensation sur les surfaces d'alumine et de graphite, et par la diffusion dans une couche mince d'oxyde pour le SiC revêtu de SiO2 natif après broyage.
Doctorants
- J. Bertheau
- O. Liashenko (Co-tutelle)
- R. Vauchy (/CEA)
- A. Quaini (/CEA Saclay)