Thèse Etude de la Densification par Spark Plasma Sintering et Cold Sintering Process de Céramiques Transparentes Y2o3-Mgo et Caractérisations Associées H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : CIRIMAT - Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux Direction de la thèse : Claude ESTOURNES ORCID 0000000183818454 Début de la thèse : 2026-12-01 Date limite de candidature : 2026-11-10T23:59:59 Les céramiques transparentes suscitent un intérêt croissant dans les secteurs aéronautique, spatial et optique en raison de leurs propriétés uniques : résistance mécanique, stabilité thermique et transmission lumineuse élevée. Ces matériaux, sont traditionnellement obtenus par frittage à très haute température (> 1600°C) et pour des temps de cycles parfois de plusieurs jours, par des procédés énergivores et coûteux. Le matériau d'intérêt pour cette thèse est une céramique composite.
Le Spark Plasma Sintering (SPS) permet de réduire les températures de frittage et considérablement les temps de cycle ce qui permet de plus de contrôler les microstructures des matériaux obtenus. Le Cold Sintering Process (CSP), en permettant une densification à des températures Le partenaire industriel associé à cette thèse souhaite pour cela mettre en place une collaboration de recherche avec le CIRIMAT afin d'évaluer la possibilité de densifier ces céramiques transparentes par « Spark Plasma Sintering » conventionnel mais également à basse température par « Cold sintering Process ».
L'équipe NNCED (Nanocomposites, Nanomatériaux Carbonés : Élaboration, Densification) l'une des six équipes du CIRIMAT est l'une des pionnières dans le monde sur le frittage SPS, elle a notamment développé le frittage SPS à haute pression sous air et l'élaboration de matériaux de formes complexes.
Elle a également été l'une des toutes premières dans le monde à combiner les procédés de fabrication additive et le SPS. Elle a également mené des travaux par SPS sur l'élaboration par SPS de céramiques transparentes de type oxydes et chalcogénures aux propriétés sans équivalent dans la littérature et ne nécessitant pas de post-traitement par HIP par exemple. L équipe NNCED depuis quelques années à également développé des travaux sur la mise en forme basse température par CSP. Pour ce dernier, une phase liquide transitoire est généralement ajoutée afin de mobiliser des mécanismes de frittage par dissolution - re-précipitation via celle-ci ce qui induit une densification à plus basse température. Des travaux sont également menés au sein de NNCED en couplant ces deux techniques (SPS et CSP) en générant cette phase liquide lors du cycle thermique in si-tu dans le SPS on parle alors de cold-SPS
Les matériaux infrarouges transparents dans la bande MWIR 3-5µm résistant aux environnements aérothermiques sévères ne sont pas si nombreux. Le matériau le plus connu est le Saphir (Al2O3), mais on trouve aussi entre autres le Fluorure de Magnésium (MgF2), la Spinelle (MgAl2O4), l'Alon (Al23-1/3xO27+xN5-x, l'alumine sub-micronique (Al2O3 polycristallin), l'Oxyde Yttrium (Y2O3). Chacun de ces matériaux à des avantages et inconvénients. On peut citer les points remarquables de ces matériaux : le Saphir est très résistant mécaniquement mais son coefficient d'absorption est non négligeable à proximité de la borne haute de la bande MWIR et cette absorption croît nettement en température. Le MgF2 a l'avantage d'un très bas indice, la Spinelle une absorption réduite par rapport au Saphir, l'Alon une usinabilité favorable mais une absorption plus forte que le Saphir, l'alumine sub-micronique est très résistante mais extrêmement difficile à polir, l'Oxyde d'Yttrium a une très faible absorption en bande MWIR mais sa résistance mécanique est un peu faible.
En synthèse, dans ce panel il manque un matériau de très faible coefficient d'absorption, que ce soit à température ambiante ou en température sur la bande spectrale MWIR et suffisamment résistant mécaniquement.
Cette Thèse CIFRE vise à déterminer les conditions optimales de densification par SPS conventionnel et par frittage réactif par CSP, Cold SPS des mélanges d'oxydes et/ou précurseurs pour obtenir des céramiques oxydes transparentes .
Pour répondre à ces objectifs, Le partenaire industriel a sollicité des membres de l'équipe NNCED (Nanocomposites, Nanomatériaux Carbonés : Élaboration, Densification), une des six équipes du CIRIMAT, qui est pionnière dans le monde sur le frittage SPS. Celle-ci a notamment développé le frittage SPS à haute pression sous air et l'élaboration de matériaux de formes complexes. Elle a également été l'une des toutes premières dans le monde à combiner les procédés de fabrication additive et le SPS pour développer des pièces de formes au plus près des côtes. Elle mène également des travaux par SPS sur l'élaboration par SPS de céramiques transparentes de type oxydes et chalcogénures aux propriétés sans équivalent dans la littérature et ne nécessitant pas de post-traitement par HIP par exemple. Depuis quelques années, l'équipe NNCED développe des travaux sur la mise en forme réactive à basse température par Cold-SPS et CSP. Pour ce dernier, une phase liquide transitoire est généralement ajoutée afin de mobiliser des mécanismes de frittage par dissolution - re-précipitation via celle-ci ce qui induit une densification à plus basse température. Des travaux sont également menés au sein de NNCED en couplant ces deux techniques (SPS et CSP) en générant cette phase liquide lors du cycle thermique in situ dans le SPS on parle alors de cold-SPS.
Il est proposé dans cette thèse CIFRE d'utiliser ces différents procédés afin de répondre aux objectifs définis.
La Doctorante aura pour mission :
- Lot 1 : Effectuer la recherche bibliographique sur la densification SPS, CSP et mécanismes associés de céramiques composites transparentes
- Lot 2 : Synthétiser des précurseurs oxydes, hydroxydes et oxy-hydroxydes par des méthodes de la chimie douce (sol-gel, coprécipitation, etc.) et les caractériser par différentes techniques (DRX, MEB Pycnomètre, IR et Raman, ATG-ATD DSC,)
- Lot3 : Définir des paramètres de densification SPS, CSP et Cold SPS des matériaux sélectionnés et/ou synthétisés.
- Lot4 : Déterminer les lois de comportement des matériaux et définir le(s) mécanisme(s) de frittage.
- Lot 5 : Effectuer les caractérisations physico-chimiques, optiques et mécaniques des matériaux obtenus. Celles-ci pourront être effectuées en interne au CIRIMAT, chez SED ou en sous-traitance dans un autre laboratoire à confirmer par SAFRAN.
- Lot 6 : Rédaction du Manuscrit de thèse et soutenance