Dr. Pierre Hirel

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Propriétés de Joints de Grains dans MgO
Post-doc UMET, Univ. Lille, depuis Nov. 2012

Introduction

L'oxyde de magnésium MgO est un matériau céramique souvent utilisé en électronique, dans les détecteurs, ou encore dans les panneaux photovoltaïques. Dans ces applications, MgO est souvent présent sous forme polycristalline, et les joints de grains jouent un grand rôle dans les propriétés fonctionelles du matériau.

À l'intérieur de la Terre, la ferropériclase (Mg,Fe)O est l'un des minéraux les plus importants constituant le manteau inférieur, entre 700 et 2880 km de profondeur. Là aussi, ce minéral existe sous forme polycristalline, et les joints de grains contribuent à la déformation plastique et au fluage. Dans le cadre du projet RheoMan, nous avons employé des simulations par ordinateur pour étudier les propriétés de joints de grains dans MgO, et leur évolution lorsqu'ils sont soumis à des pressions allant de l'ambiante jusqu'à 120 GPa, pression caractéristique de la base du manteau inférieur.

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Fig. 1 - La structure interne de la Terre, et quelques exemples de minéraux se trouvant dans le manteau.

Propriétés à pression ambiante

Pour débuter, nous avons focalisé notre étude sur un type particulier de joints de grains, dits de flexion symétrique. Deux cristaux de MgO, dont les axes [001] sont alignés, sont pivotés d'angles opposés ±α/2 autour de cet axe, puis superposés. Ils se rencontrent ainsi avec le même plan cristallographique {hk0}, où les indices de Miller h et k dépendent de l'angle de rotation initial.

Aux faibles angles (0°<α<20°), les cristaux accomodent la désorientation grâce à des dislocations [010] espacées périodiquement. Cette situation est bien décrite par le modèle de Read et Shockley, et les énergies obtenues par les simulations correspondent bien à celles prédites par ce modèle (Fig. 2). Aux angles plus grands, cette description n'est plus adaptée : la structure atomique ne peut plus être décrite uniquement avec des dislocations, et le modèle de Read et Shockley échoue à prédire les énergies. Les simulations atomistiques indiquent que les joints de grains de fortes désorientations (20°<α<67.4°) ont des énergies assez similaires, formant un plateau à environ 1,7 J/m2.

GB energy vs misorientation

Fig. 2 - Énergie minimale de joints de grains de flexion symétriques dans MgO. Les résultats de notre étude (cercles noirs) sont comparés avec des calculs ab initio (carrés et losanges rouges), des simulations atomistiques (croix et étoiles bleues), et le modèle de Read et Shockley (lignes pointillées).

La désorientation particulière α=67.4° marque une discontinuité dans les énergies des joints de grains, et aussi dans leur structure atomique. Au-delà de cet angle, il devient plus favorable de déplacer les cristaux l'un par rapport à l'autre le long du joint de grain. La raison est la suivante : pour la désorientation α=90°, les deux cristaux ont chacun été tournés de 45° et forment un simple défaut d'empilement ; translater un cristal par rapport à l'autre permet de retrouver le cristal parfait. Pour les angles proches de l'angle droit (67.4°<α<90°), il est donc plus favorable de translater un cristal afin de maximiser le volume de cristal parfait, la désorientation restante étant accomodée par des dislocations de type ½[110]. Ces joints de grains répondent alors à nouveau au modèle de Read et Shockley, qui prédit très bien leurs énergies (Fig. 2).

Influence de la pression

Nous avons soumis les joints de grains précédents à des pressions allant de 30 à 120 GPa, typiques du manteau inférieur terrestre. Les effets de la pression sont multiples, et non linéaires. Tout d'abord, les joints de grains changent tous de structure atomique, dès qu'on leur impose une pression de 30 GPa. Des atomes se positionnent à l'intérieur des joints afin d'accomoder la pression, augmentant ainsi leur compaction (Fig. 3).

{310} GB at 0 and 30 GPa

Fig. 3 - Structure atomique la plus favorable du joint de grain {310}[001], à 0 GPa (gauche) et 30 GPa (droite).

Par la suite, certains joints de grains conservent cette nouvelle structure jusqu'à 120 GPa, tandis que d'autres connaissent plusieurs chngements de structure à mesure que la pression augmente. De la même manière, l'énergie des joints de grains évolue de façon discontinue avec la pression. Toutefois, dans l'ensemble leur énergie augmente toujours avec la pression, atteignant 5 à 6 J/m2 à 120 GPa [1].

Ces résultats vont dans le sens d'une augmentation de la vitesse de croissance des grains, et d'une moindre ségrégation des impuretés aux joints de grains, lorsque la pression augmente. Cependant, il sera nécessaire d'étudier ces mécanismes de façon plus explicite afin de vérifier ces hypothèses.

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