Élaboration de céramiques transparentes de spinelle MgAl2O4 à microstructures fines

The work of this thesis concerns the elaboration of transparent MgAl2O4 ceramics with fine microstructures, with foreseen applications in the field of ionizing radiation resistant materials. The fabrication of such a material requires simultaneously a high relative density for transparency properties, and a small grain size at the nanoscale providing tolerance towards ionizing radiation by capturing and recombination of the induced charges at the grain boundaries. Different commercial magnesium aluminate spinel (MAS) powders were consolidated by spark plasma sintering (SPS). A parametric study of the SPS processing revealed that the most determinant sintering conditions are the coupled applied pressure ? sintering temperature. In particular, the use of high pressure and reduced temperature (1GPa, 1000°C) permitted to elaborate highly transparent ceramics up to the theoretical limit (87%), with a limited grain growth (115 nm). In order to further improve the features of our materials, especially reduce their grain sizes, we developed two synthesis routes for the elaboration of MgAl2O4 nanopowder precursors. The synthesis via polyol route led to MAS powders with grain size as small as 7 nm, with controllable MgO·nAl2O3 stoichiometry in the range 0.716 = n = 5. The synthesis by liquid impregnation of nanofibrous alumina led to nanopowders of 8 ? 20 nm depending on the crystalline state of the initial Al2O3; in particular, amorphous alumina resulted in the formation of unique metastable fully inverse spinel powders. The preliminary sintering study of these powders resulted in promising materials with partial transparency. We also investigated the phenomenology during SPS with the addition of the ionic conductor Ta2O5, which evidenced the formation of hot spots. The physical characterization of the defects in our materials by unusual techniques in this field further revealed intrinsic defects arising specifically from the SPS technique.Finally, we assessed the He+ irradiation behavior of chosen ceramics in order to study their tolerance towards such ionizing radiations.Les travaux de cette thèse portent sur l'élaboration de céramiques transparentes MgAl2O4 à microstructures fines, pour des applications dans le domaine des matériaux résistants aux rayonnements ionisants. Ces matériaux requièrent simultanément une haute densité relative permettant leur transparence, et des grains à l'échelle nanométrique offrant une tolérance accrue aux rayonnements ionisant en piégeant et recombinant les charges induites aux joints de grains. Différentes poudres commerciales de spinelle ont été consolidées par spark plasma sintering (SPS). Une étude paramétrique du procédé SPS a montré que les conditions de frittage déterminantes sont le couple pression appliquée ? température. En particulier, l'utilisation de hautes pressions à basse température (1GPa et 1000°C) a permis d'élaborer des céramiques de transparence proche de la limite théorique (87%), avec une croissance granulaire limitée (115 nm). Afin d'améliorer encore les caractéristiques de nos matériaux, en particulier en réduisant leur taille de grains, nous avons développé deux voies de synthèse pour l'élaboration de nanopoudres de MgAl2O4. La synthèse par voie polyol a permis d'obtenir des cristallites de 7 nm, avec une composition MgO·nAl2O3 contrôlable dans la gamme 0,716 = n = 5. La synthèse par imprégnation liquide d'alumine nanofibreuse a conduit à des nanopoudres de 8 à 20 nm selon l'état cristallin initial de l'alumine ; en particulier, l'utilisation d'Al2O3 amorphe a permis l'élaboration de spinelle MgAl2O4 inverse pour la première fois. L'étude préliminaire du frittage de ces poudres a donné des résultats prometteurs avec une transparence partielle. Nous avons également étudié la phénoménologie durant le SPS, avec l'ajout du conducteur ionique Ta2O5, qui a permis de mettre en évidence la formation de points chauds. La caractérisation des défauts dans nos matériaux par des techniques physique peu répandues dans notre domaine a révélé des défauts intrinsèques découlant directement de la technique SPS. Enfin, nous avons évalué le comportement à l'irradiation He+ de céramiques choisies afin d'étudier leur tolérance à de tels rayonnements ionisants

Élaboration de céramiques transparentes de spinelle MgAl2O4 à microstructures fines

The work of this thesis concerns the elaboration of transparent MgAl2O4 ceramics with fine microstructures, with foreseen applications in the field of ionizing radiation resistant materials. The fabrication of such a material requires simultaneously a high relative density for transparency properties, and a small grain size at the nanoscale providing tolerance towards ionizing radiation by capturing and recombination of the induced charges at the grain boundaries. Different commercial magnesium aluminate spinel (MAS) powders were consolidated by spark plasma sintering (SPS). A parametric study of the SPS processing revealed that the most determinant sintering conditions are the coupled applied pressure ? sintering temperature. In particular, the use of high pressure and reduced temperature (1GPa, 1000°C) permitted to elaborate highly transparent ceramics up to the theoretical limit (87%), with a limited grain growth (115 nm). In order to further improve the features of our materials, especially reduce their grain sizes, we developed two synthesis routes for the elaboration of MgAl2O4 nanopowder precursors. The synthesis via polyol route led to MAS powders with grain size as small as 7 nm, with controllable MgO·nAl2O3 stoichiometry in the range 0.716 = n = 5. The synthesis by liquid impregnation of nanofibrous alumina led to nanopowders of 8 ? 20 nm depending on the crystalline state of the initial Al2O3; in particular, amorphous alumina resulted in the formation of unique metastable fully inverse spinel powders. The preliminary sintering study of these powders resulted in promising materials with partial transparency. We also investigated the phenomenology during SPS with the addition of the ionic conductor Ta2O5, which evidenced the formation of hot spots. The physical characterization of the defects in our materials by unusual techniques in this field further revealed intrinsic defects arising specifically from the SPS technique.Finally, we assessed the He+ irradiation behavior of chosen ceramics in order to study their tolerance towards such ionizing radiations.Les travaux de cette thèse portent sur l'élaboration de céramiques transparentes MgAl2O4 à microstructures fines, pour des applications dans le domaine des matériaux résistants aux rayonnements ionisants. Ces matériaux requièrent simultanément une haute densité relative permettant leur transparence, et des grains à l'échelle nanométrique offrant une tolérance accrue aux rayonnements ionisant en piégeant et recombinant les charges induites aux joints de grains. Différentes poudres commerciales de spinelle ont été consolidées par spark plasma sintering (SPS). Une étude paramétrique du procédé SPS a montré que les conditions de frittage déterminantes sont le couple pression appliquée ? température. En particulier, l'utilisation de hautes pressions à basse température (1GPa et 1000°C) a permis d'élaborer des céramiques de transparence proche de la limite théorique (87%), avec une croissance granulaire limitée (115 nm). Afin d'améliorer encore les caractéristiques de nos matériaux, en particulier en réduisant leur taille de grains, nous avons développé deux voies de synthèse pour l'élaboration de nanopoudres de MgAl2O4. La synthèse par voie polyol a permis d'obtenir des cristallites de 7 nm, avec une composition MgO·nAl2O3 contrôlable dans la gamme 0,716 = n = 5. La synthèse par imprégnation liquide d'alumine nanofibreuse a conduit à des nanopoudres de 8 à 20 nm selon l'état cristallin initial de l'alumine ; en particulier, l'utilisation d'Al2O3 amorphe a permis l'élaboration de spinelle MgAl2O4 inverse pour la première fois. L'étude préliminaire du frittage de ces poudres a donné des résultats prometteurs avec une transparence partielle. Nous avons également étudié la phénoménologie durant le SPS, avec l'ajout du conducteur ionique Ta2O5, qui a permis de mettre en évidence la formation de points chauds. La caractérisation des défauts dans nos matériaux par des techniques physique peu répandues dans notre domaine a révélé des défauts intrinsèques découlant directement de la technique SPS. Enfin, nous avons évalué le comportement à l'irradiation He+ de céramiques choisies afin d'étudier leur tolérance à de tels rayonnements ionisants

Élaboration de céramiques transparentes de spinelle MgAl2O4 à microstructures fines

Les travaux de cette thèse portent sur l'élaboration de céramiques transparentes MgAl2O4 à microstructures fines, pour des applications dans le domaine des matériaux résistants aux rayonnements ionisants. Ces matériaux requièrent simultanément une haute densité relative permettant leur transparence, et des grains à l'échelle nanométrique offrant une tolérance accrue aux rayonnements ionisant en piégeant et recombinant les charges induites aux joints de grains. Différentes poudres commerciales de spinelle ont été consolidées par spark plasma sintering (SPS). Une étude paramétrique du procédé SPS a montré que les conditions de frittage déterminantes sont le couple pression appliquée ? température. En particulier, l'utilisation de hautes pressions à basse température (1GPa et 1000°C) a permis d'élaborer des céramiques de transparence proche de la limite théorique (87%), avec une croissance granulaire limitée (115 nm). Afin d'améliorer encore les caractéristiques de nos matériaux, en particulier en réduisant leur taille de grains, nous avons développé deux voies de synthèse pour l'élaboration de nanopoudres de MgAl2O4. La synthèse par voie polyol a permis d'obtenir des cristallites de 7 nm, avec une composition MgO·nAl2O3 contrôlable dans la gamme 0,716 = n = 5. La synthèse par imprégnation liquide d'alumine nanofibreuse a conduit à des nanopoudres de 8 à 20 nm selon l'état cristallin initial de l'alumine ; en particulier, l'utilisation d'Al2O3 amorphe a permis l'élaboration de spinelle MgAl2O4 inverse pour la première fois. L'étude préliminaire du frittage de ces poudres a donné des résultats prometteurs avec une transparence partielle. Nous avons également étudié la phénoménologie durant le SPS, avec l'ajout du conducteur ionique Ta2O5, qui a permis de mettre en évidence la formation de points chauds. La caractérisation des défauts dans nos matériaux par des techniques physique peu répandues dans notre domaine a révélé des défauts intrinsèques découlant directement de la technique SPS. Enfin, nous avons évalué le comportement à l'irradiation He+ de céramiques choisies afin d'étudier leur tolérance à de tels rayonnements ionisants.The work of this thesis concerns the elaboration of transparent MgAl2O4 ceramics with fine microstructures, with foreseen applications in the field of ionizing radiation resistant materials. The fabrication of such a material requires simultaneously a high relative density for transparency properties, and a small grain size at the nanoscale providing tolerance towards ionizing radiation by capturing and recombination of the induced charges at the grain boundaries. Different commercial magnesium aluminate spinel (MAS) powders were consolidated by spark plasma sintering (SPS). A parametric study of the SPS processing revealed that the most determinant sintering conditions are the coupled applied pressure ? sintering temperature. In particular, the use of high pressure and reduced temperature (1GPa, 1000°C) permitted to elaborate highly transparent ceramics up to the theoretical limit (87%), with a limited grain growth (115 nm). In order to further improve the features of our materials, especially reduce their grain sizes, we developed two synthesis routes for the elaboration of MgAl2O4 nanopowder precursors. The synthesis via polyol route led to MAS powders with grain size as small as 7 nm, with controllable MgO·nAl2O3 stoichiometry in the range 0.716 = n = 5. The synthesis by liquid impregnation of nanofibrous alumina led to nanopowders of 8 ? 20 nm depending on the crystalline state of the initial Al2O3; in particular, amorphous alumina resulted in the formation of unique metastable fully inverse spinel powders. The preliminary sintering study of these powders resulted in promising materials with partial transparency. We also investigated the phenomenology during SPS with the addition of the ionic conductor Ta2O5, which evidenced the formation of hot spots. The physical characterization of the defects in our materials by unusual techniques in this field further revealed intrinsic defects arising specifically from the SPS technique.Finally, we assessed the He+ irradiation behavior of chosen ceramics in order to study their tolerance towards such ionizing radiations

Structural defects effect in fine-grained MgAl

Transparent sintered ceramics of spinel oxides compounds have attracted a lot of attention due to their expected structural stability in extreme environments. In this work, the evolution of structural defects was observed in fine-grain transparent MgAl$$_{2}$$O$$_{4}$$ ceramics following consolidation of spinel powders via Spark Plasma Sintering and heat treatment under air. A dark discoloration due to a carbon contamination and partial reduction during the sintering process was suppressed via post-annealing under air. The correlated EPR and cathodoluminescence analyses showed significance of the Mn$$^{4+}$$ ions reduction after consolidation of powders

Morphology and luminescence of MgAl2O4 ceramics obtained via spark plasma sintering

International audienc

Grain-size effect on Cr3+^{3+} and F-centres photoluminescence in nanophase MgAl2_2O4_4 ceramics

Photoluminescence (PL) spectroscopy of transparent MgAl$_2$O$_4$ spinel ceramics with grain size between 100 and 300 nm was studied at 7 K temperature in the near-IR-VUV range of spectrum with synchrotron radiation excitation. The PL spectra were composed of optical transitions from spatially different regions of the ceramics, which analysis evidenced grain size effect on the emission line-shapes and intensities. In particular, emission of impurity Cr$^{3+}$ ions, being structured in the crystalline bulk, became broad-band in the grain boundary regions, which was associated with respectively strong and weak local crystalline fields. It was observed that (i) excitons and F centres transfer energy to Cr$^{3+}$ and (ii) Cr($^2$E$_g$)/Cr($^4$T$_{2g}$) and F-centres/Cr$^{3+}$ PL intensity ratios underwent a linear dependence on the grain size

IRF2BPL is associated with neurological phenotypes

Interferon regulatory factor 2 binding protein-like (IRF2BPL) encodes a member of the IRF2BP family of transcriptional regulators. Currently the biological function of this gene is obscure, and the gene has not been associated with a Mendelian disease. Here we describe seven individuals who carry damaging heterozygous variants in IRF2BPL and are affected with neurological symptoms. Five individuals who carry IRF2BPL nonsense variants resulting in a premature stop codon display severe neurodevelopmental regression, hypotonia, progressive ataxia, seizures, and a lack of coordination. Two additional individuals, both with missense variants, display global developmental delay and seizures and a relatively milder phenotype than those with nonsense alleles. The IRF2BPL bioinformatics signature based on population genomics is consistent with a gene that is intolerant to variation. We show that the fruit-fly IRF2BPL ortholog, called pits (protein interacting with Ttk69 and Sin3A), is broadly detected, including in the nervous system. Complete loss of pits is lethal early in development, whereas partial knockdown with RNA interference in neurons leads to neurodegeneration, revealing a requirement for this gene in proper neuronal function and maintenance. The identified IRF2BPL nonsense variants behave as severe loss-of-function alleles in this model organism, and ectopic expression of the missense variants leads to a range of phenotypes. Taken together, our results show that IRF2BPL and pits are required in the nervous system in humans and flies, and their loss leads to a range of neurological phenotypes in both species