Etude de l’effet de la pression sur les paramètres acoustiques du MgO

Classification des céramiques

Les céramiques peuvent être classées en plusieurs familles : céramiques naturelles, céramiques techniques, céramiques vitrifiées, ciment et bêton, etc.
Céramiques techniques : Le matériau le plus connu des céramiques techniques est le diamant, utilisé industriellement pour élaborer des outils de coupe, des filières, etc. Son coût élevé a largement contribué au développement de nouveaux matériaux. La résistance mécanique d’une céramique dépend de sa ténacité (K1c) et de la distribution en taille des micros fissures. Ainsi, les céramiques techniques modernes présentent-elles, des valeurs de ténacité plus importante couplées à une distribution moins dispersée en taille de microfissures.
D’autres céramiques techniques occupent une place importante dans l’industrie, il s’agit des céramiques piézo-électriques comme le titanate de baryum et oxyde de zinc. Qui serrent pour transformer un signal électrique en un signal mécanique et inversement. Ce sont les transducteurs des sondes qui permettent de générer les ondes acoustiques et de les recueillir. Leur tension de sortie est relativement élevée et ils sont insensibles à l’humidité et aux différences de température. Ils sont employés pour l’acoustique (microphone, enceintes, dans les instruments de microscopie….) ou dans des applications électroniques .
Les céramiques techniques peuvent être classées en plusieurs familles et ce qui nous intéresse dans le travail de cette thèse c’est la famille des oxydes métalliques et précisément l’oxyde de magnésium MgO (Périclase).
Céramiques naturelles : La famille des argiles, souvent employées dans l’industrie, constituent un groupe d’aluminosilicates hydratés formés par l’altération de roches feldspathiques comme le granite. Les grains individuels des minéraux argileux sont de taille microscopique et semblable à des plaquettes. Cette structure en feuillets engendre une très grande surface qui leur permet d’absorber de grandes quantités d’eau. Ce qui leur donne leur plasticité et fait gonfler certaines variétés. Le feuillage, qui présente de très nombreuses variantes selon le mode d’empilement des plaquettes élémentaires, est le principale critère de distinction de nombreuses variétés minérales : la kaolinite, l’illite, la montmorillonite, le chlorite etc. Ainsi, l’argile est une roche plastique, imperméable et résistante quand elle est imbibée d’eau, qui durcit à la cuisson de façon irréversible.
L’une des céramiques naturelles est unique, il s’agit de la glace qui se forme en quantité énorme à la surface de la terre jusqu’à 3km d’épaisseur et 3000km de diamètre au niveau de la calotte glacière antarctique. On peut citer les célèbres céramiques naturelles : Calcaire (CaCO3), Grès (SiO2), Silicate d’alumine, Glace (H20) etc.
Céramiques vitrifiées : Les meilleurs exemples de cette famille sont les poteries, tuiles, briques de construction et réfractaires qui sont constituées d’argiles mises en forme à l’état humide (où elles possèdent un comportement plastique), puis séchées et cuites. Après cuisson, ces céramiques sont constituées de phases ordonnées (cristallines), à base de silicate, enrobées de phases désordonnées (amorphes ou vitreuse) à base de silice. La phase vitreuse fond au moment de la cuisson et s’étend entre les différentes parties cristallines, assurant la cohésion de l’ensemble.

Importance du MgO

Le MgO est un matériau très important pour plusieurs raisons. Aux conditions ambiantes il possède une structure de rocksalt (NaCl), et il ne représente aucune transition de phase pour des pressions inferieur à 227GPa . La seule expérience disponible pour le comportement de fonte de MgO sous pression a été effectuée par ZERR et BOEHLER , qui a mesuré la courbe de fusion de MgO jusqu’à 32GPa. Ils ont trouvé une pente de la courbe de fusion à pression, un résultat qui peut soutenir la présence de partielle fonte au fond du manteau .
Le comportement à haute température et à haute pression de MgO a longtemps été un sujet de grand intérêt pour investigations expérimentales et théoriques pour plusieurs raisons ; MgO est souvent considéré comme oxyde de prototype dû à sa simplicité structurale et son champ large de stabilité à haute pression-température. C’est un composant important du manteau inférieur de la terre 660 à 2890 km profondeurs existant en tant que magnésium de magnesiowustite, FeO. En outre, il est également utile comme norme de pression dans la diffraction de rayon X et en tant qu’en céramique industrielle. En particulier, à haute pression et à hautes températures le comportement des vitesses élastiques des ondes et l’anisotropie des phases géo physiquement appropriées comme MgO sont de signification immédiate en interprétant des observations sismologiques de l’intérieur profond de la terre .

Microstructure du MgO

On peut séparer les céramiques en deux grandes classes, suivant qu’elles sont cristallines ou amorphes. On distingue les céramiques à caractère majoritairement covalent et celles à caractère majoritairement ionique selon leurs liaisons atomiques.
Les céramiques covalentes sont composées de deux non-métaux ou d’éléments purs. On peut noter : la silice (Si02), diamant (C) et le silicium (Si). Le diamant est la céramique covalente type, utilisée pour sa résistance à l’usure mécanique. Les céramiques ioniques sont composées d’un métal et d’un non-métal on peut citer : Chlorure de Sodium (NaCl), Magnésie (MgO), Alumine (Al2O3), Zircone (ZrO2)……etc.
La structure de la magnésie peut être décrite comme un empilement de deux réseaux CFC oxygène et magnésium ou comme un réseau CFC d’oxygène avec un atome de magnésium dans chaque interstices octaédriques. Sa structure est similaire au NaCl . Les ions O2- sont répartis selon un CFC. Les propriétés des cristaux diffèrent parfois lorsqu’on change de direction ; pour cela, il nous faut préciser les positions et les orientations cristallographiques pour pouvoir caractériser l’état physique des matériaux et donc déterminer les différentes propriétés surtout les propriétés structurales.

Techniques de caractérisation du MgO

Il est indispensable pour appréhender un matériau de le caractériser, c’est-à-dire d’en analyser les propriétés. Il existe de nombreuses techniques de caractérisation des matériaux en général et du MgO en particulier qui reposent sur différents principes physiques de base, les interactions rayonnement-matière, la thermodynamique, la mécanique, les ondes élastiques, etc.
Méthodes de caractérisation de la structure : Pour les principales techniques utilisant l’interaction rayonnement matière ont peut citer la microcopie électronique à balayage (MEB), Microscopie optique, Diffraction des rayons X et Fluorescence X etc.
On peut également réaliser des analyses mécaniques. Dans cette catégorie on distingue les méthodes statiques et d’autres dynamiques.
Microscopie : On peut distinguer plusieurs instruments de microscopie.
Microscopie électronique à balayage (MEB): c’est une technique de microscopie électronique basée sur le principe des interactions électrons-matière.
C’est le plus répandu dans les laboratoires industriels et universitaires ; il est d’emploi relativement facile pour l’observation de surface (grandissement variant sur une large plage, grande profondeur de champ. Microscopie électronique en transmission (MET) : son principe repose si on bombarde d’un faisceau d’électrons un échantillon mince principalement pour en obtenir la figure de diffraction. Il donne les informations cristallographiques les plus fines sur l’échantillon grâce aux diagrammes de diffraction de lignes de Kikuchi. Il reste le meilleur en ce qui concerne la limite de résolution point en point .
Microscopie optique : la simple et traditionnelle observation à l’échelle microscopique. Rayons X : Diffraction des rayons X et Fluorescence X
Méthodes de caractérisation des propriétés mécaniques : Les méthodes classiques de caractérisation mécanique peuvent être classées en deux catégories : analyse mécanique dynamique (DMA) et essais mécaniques.
Méthodes de caractérisation mécaniques non-destructives Il existe par ailleurs des techniques de caractérisation dites de contrôle non destructif. Ces techniques consistent à soumettre l’échantillon à des vibrations élastiques (mécaniques) qui créent au sein de celui-ci des tensions dont la relaxation libère de l’énergie sous la forme d’une onde de contrainte. Cette onde est porteuse d’une information concernant l’état du matériau ainsi que l’emplacement où s’est produite l’émission. Dans le cas des matériaux, les ondes élastiques peuvent être réfléchies par rupture de liaison, une discontinuité d’interface, une fissure ou des joints de grains.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : NOTIONS FONDAMENTALES SUR LE MgO
I.1 INTRODUCTION
I.2 DEFINITIONS
I.3 CLASSIFICATIONS DES CERAMIQUES
I.3.1 Céramiques techniques
I.3.2 Céramiques naturelles
I.3.3 Céramiques vitrifiées
I.4 OXYDE DE MAGNESIUM, MgO
I.4.1 Elaboration de MgO
a) Première voie
b) Deuxième voie
I.4. 2 Microstructure du MgO
I.4.3 Importance du MgO
I.5 APPLICATIONS
I.5.1 Semi-conducteurs et couches minces
I.5.2 Industrie nucléaire
I.5.3 Biomécanique
1.5.4 Industrie sidérurgique
I.6 PROPRIETES ET PARAMETRES PHYSIQUES
I.6.1 Propriétés électroniques
I.6.2 Propriétés thermiques
I.6.3 Propriétés mécaniques
a) Dureté
b) Résistance à la rupture
c) Pression
I.7 TECHNIQUES DE CARACTERISATION DU MgO
I.7.1 Méthodes de caractérisation de la structure
a) Microscopie
b) Rayons X
I.7.2 Méthodes de caractérisation des propriétés mécaniques
I.7.3 Méthodes de caractérisation mécaniques non-destructives
I.7.4 Microscopie acoustique
I.8 CONCLUSION
CHAPITRE II: INVESTIGATION ACOUSTIQUE DU MgO ISOTROPE SOUS PRESSION
II.1 INTRODUCTION
II.2 METHODOLOGIE
II.2.1. Etapes de calcul
II.2.2. Conditions de simulation
II.3 INFLUENCE DE LA PRESSION SUR LES COEFFICIENTS DE REFLEXION
II.3.1 Formulation de R (θ)
II.3.2 Détermination de R (θ) sans pression
II.3.3 Influence de la pression sur R (θ)
II.3.4 Variations des angles critiques en fonction de la pression
II.4 INFLUENCE DE LA PRESSION SUR LES IMPEDANCES ACOUSTIQUES
II.4.1 Notion d’impédance acoustique
II.4.2 Effet de la pression sur les impédances acoustiques
II.5 INFLUENCE DE LA PRESSION SUR V(Z) ET LES SPECTRES FFT
II.5.1 Formulation de la signature acoustique V (z)
II.5.2 Variation de V(z) en fonction de la pression
II.5.3 Analyse spectrale de V(z) en fonction de la pression
II.6 DISPERSION DE LA VITESSE DE RAYLEIGH AVEC LA PRESSION
II.7 CALCUL DES CONSTANTES ELASTIQUES
II.8 CONCLUSION
CHAPITRE III: MICROCARACTERISATION ACOUSTIQUE DU MgO ANISOTROPE SOUS PRESSION
III.1 INTRODUCTION
III.2 INFLUENCE DE LA PRESSION SUR R(θ)
III.2.1 Conditions de simulation
III.2.2 Analyse de R (θ) pour MgO<100>
III.2.3 Analyse de R(θ) pour MgO <110>
III.2.4 Analyse de R(θ) pour MgO <111>
III.3 INFLUENCE DE LA PRESSION SUR LES IMPEDANCES ACOUSTIQUES
III.3.1 La structure MgO<100>
III.3.2 La structure MgO<110>
III.3.3 La structure MgO<111>
III.4 EFFET DE LA PRESSION SUR V(Z) ET SPECTRES DE FFT
III.4.1 La structure eau/MgO<100>
III.4.2 La structure eau/MgO<110>
III.4.3 La structure eau/MgO<111>
III.5 DISPERSION DE VR EN FONCTION DE LA PRESSION
III.5.1 Variation de VR en fonction de P pour MgO<100>
III.5.2 Variation de VR en fonction de P pour MgO<110>
III.5.3 Variation de VR en fonction de P pour MgO<111>
III.6 CALCUL DES CONSTANTES ELASTIQUES
III.7 COMPARAISON DES RESULTATS DU MgO ISOTROPE ET ANISOTROPE
III.7.1 Influence de l’anisotropie et de la pression sur l’efficacité de génération
III.7.2 Influence de la pression sur les vitesses de Rayleigh normalisées
III.8 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES