Blanc SIMI 8 - Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie

Corrélations entre Architecture, Interfaces et Fonctionnalités dans les multi-matériaux Ferroélectriques :Frittage Flash et caractérisations multi-échelle 3D – ARCHIFUN

Résumé de soumission

Dans le domaine des céramiques pour l'électronique et les télécommunications, les matériaux ferroélectriques (propriétés non linéaires, permittivité élevée) sont incontournables pour le développement de dispositifs tels que les condensateurs accordables, les résonateurs, les supercondensateurs. La permittivité et les pertes diélectriques sont les principales caractéristiques à ajuster pour obtenir de nouveaux matériaux pouvant s’intégrer dans des dispositifs fonctionnant à des fréquences de plus en plus élevées. Créer des architectures hiérarchisées combinant des matériaux de propriétés différentes et agencés à différentes échelles vise l’obtention de matériaux adaptables. Leurs performances sont fortement liées au degré de contrôle de leur structuration lors des étapes de synthèse et de mise en forme. Corréler l'architecture et les caractéristiques des interfaces, aux propriétés physiques est indispensable pour l'émergence de nouveaux matériaux fonctionnels. Dans ce contexte, ce projet vise la conception, l'élaboration et la caractérisation de multi-matériaux constitués de phases ferroélectriques (BaTiO3 et dérivés) et diélectriques à faibles pertes diélectriques (SiO2, MgO, TiO2) assemblées aux échelles nano et micrométriques. Dans cet objectif, nous proposons une approche originale combinant: i) le frittage flash (Spark Plasma Sintering -SPS): par rapport au frittage conventionnel, le SPS permet un contrôle optimisé: de la taille des grains, de l’assemblage entre les différents constituants, des interfaces et de la composition chimique des grains et des joints de grains, ii) les techniques d’imagerie 3D aux échelles nano (double faisceau FIB-SEM) et micro (microtomographie des rayons X -XCMT) pour quantifier les architectures 3D des multi-matériaux à différentes étapes clés de leur élaboration et iii) la Méthode des Eléments Discrets (MED) pour simuler les étapes initiales de l’élaboration (décisives pour les architectures finales): mélanges des poudres, formation d'agrégats, compaction mécanique.
Notre projet vise à démontrer les avantages considérables de ces méthodes de traitement, de caractérisation et de simulation qui, complétées par des caractérisations diélectriques, permettront d'optimiser les céramiques SPS en termes de microstructure (porosité, arrangement des phases et connectivité, anisotropie) et de propriétés physiques. Selon l'échelle des assemblages ferro/diélectrique, nos deux principaux objectifs sont: -la conception de multi-matériaux 3D constitués d'inclusions diélectriques dans une matrice ferroélectrique. Les propriétés ciblées sont de faibles pertes diélectriques et une accordabilité élevée de la permittivité en fonction du champ électrique. Les propriétés finales sont contrôlées par l'architecture à l'échelle micrométrique: la distribution spatiale des phases et leur connectivité, l’anisotropie des inclusions et les arrangements granulaires.
-la conception de multi-matériaux constitués de particules cœur@écorce (les phases ferroélectriques et diélectriques sont ici associées à l’échelle du grain) avec un niveau élevé de contrôle des interfaces: à l'échelle nanométrique pour préserver l'architecture initiale dans la céramique finale et à l'échelle atomique pour contrôler les défauts chargés. Les fonctionnalités à ajuster sont les pertes diélectriques extrinsèques et intrinsèques et l'amplitude des valeurs de permittivité (jusqu’à des valeurs géantes). Ce projet de recherche fondamentale repose sur une collaboration entre trois partenaires académiques: l’ICMCB (Bordeaux) pour l'imagerie 3D et les matériaux ferroélectriques, le CIRIMAT/PNF2(Toulouse) pour le SPS et l’I2M-DUMAS(Bordeaux) pour la MED. Par ce regroupement unique d'expertises et d'équipements, notre objectif est d'obtenir des matériaux ferroélectriques innovants. Un des résultats de ce projet sera de proposer de nouvelles stratégies pour la réalisation de céramiques performantes dans le domaine de l'électronique et des télécommunications.

Coordination du projet

Catherine ELISSALDE (Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux) – catherine.elissalde@icmcb.cnrs.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

I2M Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux
CIRIMAT Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des matériaux
ICMCB Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux

Aide de l'ANR 433 071 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2012 - 36 Mois

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