Consequences of anisotropy in electrical charge storage: application to the characterization by the mirror method of TiO2 rutile

This article is devoted first to anisotropic distributions of stored electric charges in isotropic materials, second to charge trapping and induced electrostatic potential in anisotropic dielectrics. On the one hand, we examine the case of anisotropic trapped charge distributions in linear homogeneous isotropic (LHI) insulators, obtained after an electron irradiation in a scanning electron microscope. This injection leads to the formation of a mirror image

Electron Beam Charging of Insulators with Surface Layer and Leakage Currents

International audienceThe electron beam induced selfconsistent charge transport in layered insulators is described by means of an electron-hole fight-drift model FDM and an iterative computer simulation. Ballistic secondary electrons and holes, their attenuation and drift, as well as their recombination, trapping, and detrapping are included. Thermal and field-enhanced detrapping are described by the Poole-Frenkel effect. Furthermore, an additional surface layer with a modified electric surface conductivity is included which describes the surface leakage currents and will lead to particular charge incorporation at the interface between the surface layer and the bulk substrate

Electron beam charging of insulators: A self-consistent flight-drift model

International audienceElectron beam irradiation and the self-consistent charge transport in bulk insulating samples are described by means of a new flight-drift model and an iterative computer simulation. Ballistic secondary electron and hole transport is followed by electron and hole drifts, their possible recombination and/or trapping in shallow and deep traps. The trap capture cross sections are the Poole-Frenkel-type temperature and field dependent. As a main result the spatial distributions of currents j(x,t), charges, the field F(x,t) and the potential slope V(x,t) are obtained in a self-consistent procedure as well as the time-dependent secondary electron emission rate sigma(t) and the surface potential V0(t) For bulk insulating samples the time-dependent distributions approach the final stationary state with j(x,t)=const=0 and sigma=1. Especially for low electron beam energies E0=4 keV the incorporation of mainly positive charges can be controlled by the potential VG of a vacuum grid in front of the target surface. For high beam energies E0=10, 20, and 30 keV high negative surface potentials V0=−4, −14, and −24 kV are obtained, respectively. Besides open nonconductive samples also positive ion-covered samples and targets with a conducting and grounded layer (metal or carbon) on the surface have been considered as used in environmental scanning electron microscopy and common SEM in order to prevent charging. Indeed, the potential distributions V(x) are considerably small in magnitude and do not affect the incident electron beam neither by retarding field effects in front of the surface nor within the bulk insulating sample. Thus the spatial scattering and excitation distributions are almost not affected

Frottement et usure des céramiques (Al

L’implantation de prothèses orthopédiques (hanche et genou principalement) connaît un développement important. Cependant, la durée de vie de ces implants reste encore trop limitée, d’autant plus que les opérations sont réalisées sur des sujets de plus en plus jeunes. Dans ce contexte, le couple de frottement tête-cotyle est un facteur limitant en particulier à cause des émissions de débris provoquées par l’usure. Dans ces conditions, l’utilisation de céramiques est une option en plein développement grâce aux possibilités offertes par le système alumine-zircone. Nous montrons ici par des essais mécaniques et des tests de biocompatibilité que la céramique composite à dispersoïdes alumine-zircone (à 20 % vol. ZrO2 stabilisée par Y2O3, 2 mole%), présente le meilleur compromis résistance à l’usure et à la fracturation, biocompatibilité, et vieillissement in vivo.Cependant, pour encore améliorer les performances de ces céramiques, en particulier en ce qui concerne les faibles coefficients de frottement recherchés, il faudra s’appuyer sur des recherches nouvelles prenant en compte les effets des charges électriques apparaissant dans tout couple de frottement faisant intervenir des matériaux isolants

Mechanical behaviour of metal-ceramic bonds

The mechanical behaviour of ceramics bonded with metal is analyzed from the mechanical point of view (interfacial fracture mechanics, applied and residual stress field) and from the physico-chemical point of view taking into account the embrittlement induced by interfacial reactions or diffusion of metal into ceramic and the damages due to the change in interfacial microstructure (segregation, interfacial phases or films, microcracks, ...) during bonding or life. Indeed the behaviour of metal-ceramic bonds is inevitably dependent on the synthesis of all those parameters.Le comportement mécanique des liaisons céramique-métal est analysé du point de vue mécanique (mécanique de la rupture interfaciale, champs des contraintes appliquées et résiduelles) et, du point de vue physicochimique, en tenant compte des effets de fragilisation induits par les réactions interfaciales ou la diffusion du métal dans la céramique et des endommagements dus aux modifications de la microstructure interfaciale (segrégation, phases et films interfaciaux, microfissures ... ) intervenant lors de l'assemblage ou du service. En effet le comportement des assemblages métal-céramique dépend obligatoirement de la synthèse de tous ces paramètres

Optimisation de la production de céramiques de type porcelaine

Cette étude est menée en collaboration avec des fabricants de céramiques industrielles de type isolateurs électriques ou produits de porcelaine. Des dommages non contrôlés, qui surviennent durant le procédé de fabrication, peuvent avoir pour conséquence l’augmentation significative des taux de rebuts. Notre objectif sera d’optimiser la production de porcelaine en contrôlant les procédés de fabrication et la formulation.L’analyse des avaries laisse entrevoir le rôle de l’énergie de polarisation. En effet, les propriétés électriques, ainsi que les propriétés mécaniques, sont liées à la capacité du matériau à piéger des charges électriques induites par le procédé de fabrication. Ainsi, la relaxation brutale de cette énergie accumulée peut entraîner la rupture mécanique. Dans ce sens, un protocole de caractérisation mécanique / diélectrique et physico-chimique a été mis au point : D’une part, le modèle de Weibull est utilisé pour mesurer la fiabilité du produit, en complément des propriétés mécaniques classiques (résistance à la flexion), et des analyses physico-chimiques (DRX, Densimétrie, fractographies). D’autre part, la capacité à piéger des charges électriques est déterminée par mesure du courant de masse pendant l’injection simulée d’électrons (SEMM).Enfin, l’analyse statistique (Analyse discriminante, tri hiérarchique) des taux de rebut, des mesures diélectriques et mécaniques a permis de classer le produit de porcelaine industriel. Le suivi des taux de rebuts pendant deux années de production, pour différentes compositions, semble valider l’hypothèse de phénomènes de piégeage / dépiégeage de charges au cours du procédé de fabrication de la porcelaine industrielle

Assemblage SiC/super alliage base nickel pour hautes températures

Ce travail porte sur l’étude de la réalisation des liaisons métal/céramique par thermocompression à l’état solide pour des applications à hautes températures (> 600 °C). La liaison est obtenue entre le carbure de silicium (SiC) et un super alliage base nickel (HAYNES® 214™) en utilisant des joints métalliques purs tel que le nickel, le cuivre et l’argent. Le nickel et le cuivre forment des siliciures stables et à hauts points de fusion, mais ces produits de réaction sont très fragiles compte tenu de leurs sensibilité à « l’effet Pest ». Afin de minimiser cet effet nous avons ajouté du bore, réputé pour son action bénéfique, mais nous avons démontré que le bore ne peut à lui seul supprimer la fragilité des assemblages soumis de plus à des contraintes résiduelles. L’autre possibilité consiste à utiliser des dépôts minces d’argent ou des feuilles d’argent. Nous confirmons l’absence de réaction chimique à l’interface Ag/SiC grâce à l’efficacité de la barrière d’argent à partir d’une certaine épaisseur. Cette méthode nous a permis de réaliser des assemblages avec une tenue mécanique de cisaillement (> 40 MPa)

Secondary electron emission and self-consistent charge transport and storage in bulk insulators: Application to alumina

International audienceThe self-consistent charge transport in bulk alumina samples during electron beam irradiation is described by means of an iterative computer simulation. Ballistic electron and hole transport as well as their recombination and trapping are included. As a main result the time-dependent secondary electron emission rate sigma(t) and the spatial distributions of currents j(x,t), charges r(x,t), the field F(x,t), and the potential slope V(x,t) are obtained. For bulk insulating samples, the time-dependent distributions approach the final stationary state with j(x,t)=const=0 and sigma=1. Especially for low electron beam energies E0=1 keV, the incorporation of charges can be controlled by the potential VG of a vacuum electrode in front of the target surface. Finally, for high electron beam energies, the real negative surface potential V0,0 is measured by x-ray bremsstrahlung spectra and the shift of the short wavelength edge. For the initial beam energy E0=30 keV, the experimental value V0=-16 kV is still in good agreement with our simulations