International audienceLe carbure de silicium (SiC), en raison de ses propriétés réfractaires et de sa bonne compatibilité avec le flux neutronique, est retenu pour constituer les pièces de structure des coeurs des réacteurs nucléaires de future génération. L'influence d'une irradiation aux ions Xe (95 MeV) en température (400°C), aux fluences comprises entre 3,0.1014 et 3,6.1015 ions/cm2, sur la microstructure et le comportement mécanique d'un a- SiC polycristallin est étudié. En raison de la faible épaisseur endommagée (~10 Bm), les modifications des propriétés mécaniques du SiC (module d'élasticité, dureté) induites par irradiation ont dans un premier temps été évaluées par des caractérisations de surface (spectroscopie Raman, nanoindentation, microscopie acoustique)

Boussuge, Michel

Gélébart, Lionel

Le Flem, Marion

Ménard, Magalie

HAL-CEA

Evolution des proprie´te´s me´caniques du carbure desilicium sous irradiation aux ionsMagalie Me´nard, Marion Le Flem, Lionel Ge´le´bart, Michel BoussugeTo cite this version:Magalie Me´nard, Marion Le Flem, Lionel Ge´le´bart, Michel Boussuge. Evolution des proprie´te´sme´caniques du carbure de silicium sous irradiation aux ions. Mate´riaux 2006, 2006, Dijon,France. xx, 5 p., 2006. <hal-00144501>HAL Id: hal-00144501https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00144501Submitted on 3 May 2007HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. 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CNRS 7633 - 91003 Evry cedex - michel.boussuge@ensmp.fr    RESUME:  Le carbure de silicium (SiC), en raison de ses propriétés réfractaires et de sa bonne compatibilité avec le flux neutronique, est retenu pour constituer les pièces de structure des cœurs des réacteurs nucléaires de future génération. L’influence d’une irradiation aux ions Xe (95 MeV) en température (400°C), aux fluences comprises entre 3,0.1014 et 3,6.1015 ions/cm2, sur la microstructure et le comportement mécanique d’un α-SiC polycristallin est étudié. En raison de la faible épaisseur endommagée (~10 µm), les modifications des propriétés mécaniques du SiC (module d’élasticité, dureté) induites par irradiation ont dans un premier temps été évaluées par des caractérisations de surface (spectroscopie Raman, nanoindentation, microscopie acoustique).  MOTS-CLES : Carbure de silicium, Irradiation, Nanoindentation.                                   MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France    1. Introduction  Les composites à matrice céramique, tels que SiC/SiC font partie des matériaux envisagés pour constituer les pièces de structure des cœurs des réacteurs nucléaires de future génération, notamment comme matrice de confinement des produits de fission ou comme matériau de structure. En condition de fonctionnement nominale, la température de ces composants est estimée à 500-800°C et atteindrait 1600°C en situation accidentelle. Malgré une littérature relativement étayée sur les modifications microstructurales du SiC induites par une irradiation, les travaux traitant du comportement mécanique de ce matériau restent peu nombreux, particulièrement à hautes températures (T>1000°C) et sous irradiation.  La présente étude propose donc de préciser le comportement mécanique du α-SiC (structure hexagonale) après irradiation au travers de caractérisations préliminaires conduites à l’ambiante. Afin de simuler l’effet des neutrons, les échantillons sont irradiés par des ions lourds, à 400°C.   2. Protocole expérimental  Le carbure de silicium polycristallin étudié (Hexoloy SA, Saint Gobain), de structure hexagonale, est élaboré par frittage naturel, au-dessus de 2000°C, à partir d’une poudre submicronique à laquelle sont ajoutés des éléments, tels que le bore ou le carbone, améliorant sa densification. La taille de grains moyenne du SiC est inférieure à 10 µm. Des irradiations ont été conduites au GANIL [1] sur 10 échantillons (24 x 4 x 2 mm3), sous des ions Xe de 95 MeV, à 400°C, température supérieure à la température seuil d’amorphisation du α-SiC [2]. Cinq niveaux de fluence ont ainsi été obtenus pour une densité de courant de faisceau voisine 1 µA. Des simulations au moyen du programme SRIM-2003 (Stopping and Range of Ions in Matter [3]) permet d’évaluer le pouvoir d’arrêt des ions Xe dans le SiC, ainsi que la teneur en dommages. La densité du α-SiC retenue est de 3,21.103 kg.m-3, les énergies seuil de déplacement du C et du Si sont respectivement de 20 et 35 eV [4,5]. Les fluences maximales atteintes sont comprises entre 3,0. 1014 et 3,6.1015 ions/cm2 (Figure 1).    01234560 2 4 6 8 10 12p (µm)dpa3,00E+14 ions/cm26,00E+14 ions/cm21,20E+15 ions/cm21,50E+15 ions/cm23,60E+15 ions/cm2 Figure 1 Distribution des dommages d’irradiation aux ions Xe (95 MeV), à 400°C, dans du α-SiC en fonction de l’épaisseur.  Des analyses en spectroscopie Raman sont conduites pour identifier les transformations de structure cristalline du SiC induites par irradiation. Les informations sont collectées en géométrie rétrodiffusée à l’aide d’un micro-spectromètre Jobin-Yvon T64000. La longueur d’onde du laser est de 514,5 nm et la puissance est de 30 mW. La résolution est spectrale est de 1 cm-1 et la taille du spot laser est de 1 µm2. Le module d’élasticité E et la dureté H sont mesurés par nanoindentation Berkovich. Le nombre d’empreintes réalisées est de 10 à force imposée ; cette dernière étant fixée à 8, 20, 80, 200, 800 et 2000 mN. Chaque échantillon a donc fait l’objet de 60 indentations. Les évolutions de la dureté et du module d’élasticité après irradiation sont obtenues par indentations aux profondeurs situées entre 1400 et 1800 nm. Dans cette gamme de profondeur, les dommages d’irradiation sont considérés homogènes à une condition d’irradiation donnée et varient de 0,04 dpa à 0,5 dpa (Figure 1). L’évolution du module d’élasticité après MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France   irradiation a également été mesurée par microscopie acoustique. La fréquence utilisée est de l’ordre de 160 MHz, ce qui permet de sonder le matériau sur une profondeur de 10 µm.    3. Résultats  Le spectre Raman d’un échantillon de α-SiC non irradié est représenté en Figure 2a. Quatre bandes principales, situées entre 700 et 1000 cm-1, caractérisent la structure du SiC cristallin et correspondent aux modes actifs d’une structure de type wurtzite (C6v, polytypes hexagonaux) ; ces résultats sont en accord avec la littérature [6-8].  XE4VB-100190039005900790099001190013900500 600 700 800 900 1000 1100 1200Déplacement Raman (cm-1)Intensité (Coups)XE4VB0100020003000400050006000100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700Déplacement Raman (cm-1)Intensité (Coups)3,6e+15 ions/cm21,5e+15 ions/cm21,2e+15 ions/cm26,0e+14 ions/cm23,0e+14 ions/cm2a) b) Figure 2 Spectres Raman d’un échantillon de α-SiC non irradié (a) et irradié (Xe, 95 MeV, 400°C).  Les échantillons irradiés présentent des spectres de Raman similaires, aux cinq niveaux de fluences envisagés (Figure 2b). Une diminution de l’intensité et un élargissement des pics Raman relatifs au SiC cristallin sont observés après irradiation. Par ailleurs, les spectres des échantillons irradiés présentent trois nouvelles bandes, à 200, 560 et 680 cm-1, attribuées respectivement à la présence de Si amorphe et d’une structure désordonnée de SiC [8-15]. Des liaisons homonucléaires Si-Si se forment donc dés 0,05 dpa (Figure 1). La quatrième bande située vers 800 cm-1 est attribuée aux vibrations du SiC cristallin fortement désordonnée.   4004505005506006507000 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Profondeur (nm)Module d'élasticité (GPa)Non irradié3,0e+14 ions/cm26,0e+14 ions/cm21,2e+15 ions/cm23,0e+15 ions/cm23,6e+15 ions/cm2Module d'élasticité (GPa)253035404550556065700 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Profondeur (nm)Dureté (GPa)Non irradié3,0e+14 ions/cm26,0e+14 ions/cm21,2e+15 ions/cm21,5e+15 ions/cm23,6e+15 ions/cm2  Figure 3 Evolutions de E (a) et de H (b) du SiC en fonction de la profondeur obtenues par nanoindentation.  Une faible augmentation, de l’ordre de 5 %, du module d’élasticité E est mesurée après irradiation par microscopie acoustique, tandis que les mesures par nanoindentation n’en montrent pas de variations significatives. La valeur moyenne de la dureté H présente une augmentation de l’ordre de 15% quelle que soit la fluence (Figures 3). Par ailleurs, le mode de fissuration générée par indentation évolue après irradiation. La plupart des échantillons irradiés présentent une longueur de fissure moyenne inférieure à celle des échantillons non irradiés et une tendance à l’écaillage plus importante.  MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France     4. Discussion  Les dommages microstructuraux induits par irradiation se caractérisent en spectroscopie Raman par une diminution de l’intensité des pics liés au SiC cristallin et par l’apparition de nouvelles bandes de vibration, correspondant aux liaisons homonucléaires S-Si à l’intérieur du réseau SiC, et à une structure de SiC désordonnée. Cette dernière, formée par la distorsion des angles de liaisons Si-C, résulte en un ordre à courte distance, alors que l’ensemble du réseau tétraédrique est conservé. Cette structure peut être définie comme un état transitoire entre l’état cristallin et l’état amorphe [8,10]. A l’ambiante, cet état disparaît avec la fluence, tandis qu’une irradiation à une température supérieure à la température maximale d’amorphisation conduit à une stabilisation de l’état transitoire et à une limitation de l’accumulation des dommages favorisant le recuit dynamique des défauts [8]. Sorieul et al. constate sur des monocristaux de α-SiC que l’élévation de la température d’irradiation prolonge la stabilité de l’état transitoire jusqu’à des doses d’irradiation de l’ordre de 26,4 dpa. Par ailleurs, l’apparition de la bande de désordre à 580 cm-1 est indépendante de la nature de l’ion (Au ou Xe) et résulte donc d’un effet d’irradiation.  L’augmentation de la dureté est également observée sur du SiC irradié aux ions ou aux neutrons et peut s’accompagner d’une diminution du module d’élasticité [16, 17]. Les effets d’une irradiation sur la dureté de la région analysée par indentation paraissent toutefois être dépendants de la présence de phase amorphe [18-20]. La diminution de la dureté, de l’ordre de 40%, est attribuée à la présence d’une couche amorphe à la surface du SiC. Pour une fluence de 6.1014 ions.cm-2, aucune phase amorphe n’est formée et une hausse de 10% de la dureté est alors mesurée [20]. Dans cette étude, l’écaillage relativement important provoqué par indentation des échantillons irradiés semble toutefois être l’expression de contraintes de compression générées par les défauts d’irradiation. Ces derniers, susceptibles d’être responsables de zones amorphes dans le SiC, tendent en effet à induire un gonflement hétérogène du SiC. La diminution de la longueur des fissures générées par indentation après irradiation suggère un accroissement de la ténacité apparente du SiC. Les observations fractographiques de Katoh et al. conduites sur des échantillons de β-SiC irradiés aux neutrons à 800°C suggèrent que l’irradiation augmente l’énergie de clivage [21]. Ceci pourrait contribuer à l’augmentation de la résistance à l’amorçage et à la propagation de fissure et ainsi accroître la dureté mesurée par indentation.     5. Conclusion  Les modifications structurales du α-SiC polycristallin induites par une irradiation aux ions Xe (95 MeV) à 400°C résultent en l’apparition de zones amorphes de Si et d’une phase désordonnée de SiC cristallin, aux fluences comprises entre  3,0. 1014 ions/cm2 et 3,6.1015 ions/cm2. Les caractérisations préliminaires des propriétés mécaniques du SiC montrent une augmentation de la dureté de l’ordre de 15% après irradiation, tandis que le module d’élasticité reste stable, ainsi qu’une résistance accrue à l’amorçage et à la propagation de fissures.  Remerciements  Les auteurs remercient Isabelle Monnet du Ganil (Caen) pour la réalisation des irradiations, ainsi que Sylvain Gailliègue de l’ENSMP (Evry) et Virginie Basini du CEA de Cadarache pour les essais mécaniques. Une partie de ce travail est soutenu par le GdR Nomade.  References  [1] http://www.ganil.fr  [2] Jiang W., Weber W.J., Zhang Y., Thevuthasan S., Shutthanandan V., Ion beam analysis of irradiation effects in 6H–SiC, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 207, 92–99, 2003. [3] Ziegler F., Biersack J.P., Littmark U., The stopping and range of ions in solids, New York, 1985. 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