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Dynamique de la formation de la structure de grains dans les alliages métalliques et dans le silicium multi-cristallin pour les applications photovoltaïques
| Content Provider | Semantic Scholar |
|---|---|
| Author | Mangelinck-Noël, Nathalie |
| Copyright Year | 2013 |
| Abstract | Mes travaux depuis mon recrutement au CNRS et actuellement au sein de l'equipe MCA de l'IM2NP concernent principalement la solidification des materiaux. Les proprietes des materiaux sont largement controlees par la microstructure de solidification, les structures de grains et les segregations laissees dans le solide avant toute mise en forme et traitement posterieurs. Pour elaborer des materiaux possedant des proprietes definies, sur mesure et de facon reproductible, il est donc necessaire de maitriser les mecanismes qui lient les procedes d'elaboration a la structure interne a diverses echelles des materiaux. Mes travaux de recherche vont dans le sens de l'approfondissement de la connaissance de ces mecanismes et, a plus long terme, de l'application de ces recherches aux procedes industriels. La necessite d'ameliorer les procedes pour obtenir des pieces de plus en plus performantes et qui permettent des economies en energie souleve de nombreuses questions metallurgiques pour la recherche et l'industrie. L'amelioration des procedes necessite de comprendre les mecanismes physico-chimiques qui entrent en jeu pendant la phase de solidification. De plus, pour etre predictives et quantitatives, les simulations numeriques largement utilisees en milieu industriel doivent etre nourries par la connaissance de ces mecanismes, leur formulation mathematique et les parametres entrant en jeu. Dans les alliages metalliques, j'etudie plus particulierement les mecanismes de la formation de la structure de grains, de la transition colonnaire equiaxe (CET), des segregations induites par cette structure. Les grains colonnaires et equiaxes resultent de dendrites avec differentes morphologies. Les dendrites colonnaires sont allongees dans une direction tandis que les grains equiaxes n'ont pas de direction privilegiee. A cause de leur forme, les grains equiaxes permettent d'obtenir des proprietes mecaniques isotropes pour le materiau final et des champs de concentration plus homogenes que dans le cas de la croissance colonnaire. En fonction de l'application, l'un ou l'autre type de grain est prefere et doit donc etre favorise par le procede de solidification (par exemple : les grains equiaxes dans les pieces de moteur, les grains colonnaires voire un monograin dans les aubes de turbines). En consequence, la comprehension des mecanismes physico-chimiques qui controlent la CET est une question critique en metallurgie et qui reste d'actualite. Les grains equiaxes peuvent apparaitre de deux manieres au cours de la solidification. La premiere est la germination heterogene sur des particules incluses volontairement dans l'alliage comme cela est fait couramment dans l'industrie de l'aluminium par exemple ou, sur des impuretes ou des precipites presents naturellement dans l'alliage. La seconde est le detachement de branches dendritiques secondaires dans la zone pâteuse ce qui est admis comme la cause de l'apparition d'une zone equiaxe au centre des lingots de fonderie. Afin de comprendre et de caracteriser les mecanismes de la dynamique de formation de la structure de grains dans les alliages metalliques, mon programme de recherche comporte trois volets : * l'etude de la structure de grains et de la fragmentation (Chapitre 1) * l'etude de la CET en presence d'affinants dans des alliages a base aluminium (Chapitre 2) * l'influence de la convection au cours de la solidification de ces alliages (Chapitre 3). Mon approche est experimentale et comporte des experiences originales: 1- Caracterisation in situ et en temps reel de la dynamique de la solidification d'alliages metalliques proches des alliages industriels par imagerie X synchrotron. 2- Etude des effets de la convection naturelle, de la convection controlee par un champ ou un stimulus externe ou, utilisation de la microgravite (absence de convection naturelle et de phenomenes de sedimentation). Par ailleurs, depuis 2008, je developpe au sein de l'equipe MCA une nouvelle thematique de recherche pour laquelle j'ai mis en place un projet (Si-X : Caracterisation et comprehension de la cristallisation du SiIicium photovoltaique: imagerie X synchrotron) finance par l'ANR HABISOL. Les cellules photovoltaiques (PV) sont amenees a devenir une des composantes majeures de l'habitat ecologique de demain. Les differentes etapes d'elaboration des cellules PV a base de silicium (purification, cristallisation, traitements intermediaires, procede cellules) concourent au rendement des cellules PV. Dans ce cadre, je m'interesse a la phase de cristallisation/solidification. Jusqu'a present, du silicium en provenance de l'industrie microelectronique etait employe pour fabriquer les cellules PV mais cette filiere est tres couteuse et est tributaire de l'industrie microelectronique pour l'approvisionnement en silicium de qualite suffisante. D'autres voies d'approvisionnement et de fabrication du materiau silicium de qualite suffisante pour les applications PV sont explorees mais ces materiaux silicium sources doivent etre consideres comme de nouveaux materiaux vis-a-vis des procedes d'elaboration de lingots et de cellules. En consequence, un certain nombre de problemes lies a la solidification de ces materiaux doivent etre (re)-examines avec attention meme pour des procedes etablis pour les materiaux en provenance de l'industrie microelectronique. D'une maniere generale, dans le Si multi-cristallin utilise massivement pour la fabrication des cellules photovoltaiques, le rendement PV de la cellule est completement different en fonction de la structure de grains du lingot. Par consequent, il est indispensable de controler et donc de comprendre la formation de la structure de grains issue de l'etape de solidification du Si multi-cristallin. Ces travaux sur le Si multi-cristallin font l'objet du chapitre 4. Pour les deux principaux types de materiaux que j'etudie (alliages metalliques, Si PV) la problematique de la solidification et en particulier de la formation de la structure de grains est essentielle. En revanche, la croissance du silicium multi-cristallin, en general facettee, est totalement differente de celle des alliages metalliques classiques ce qui ouvre des perspectives interessantes pour la comprehension de mecanismes peu abordes jusqu'a present dans nos travaux : effet de l'orientation cristallographique, macles, croissance facettee. |
| File Format | PDF HTM / HTML |
| Alternate Webpage(s) | https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00945414/document |
| Language | English |
| Access Restriction | Open |
| Content Type | Text |
| Resource Type | Article |
