Mise en forme et frittage des poudres de céramique nanostructurées : cas d'une alumine de transistion

par Mirella Azar

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Jérôme Chevalier et de Vincent Garnier.

Soutenue en 2009

à Lyon, INSA , en partenariat avec MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (laboratoire) .


  • Résumé

    Ce mémoire a pour objectif d’élaborer une céramique dense et à microstructure la plus fine possible en frittant une alumine de transition. Cette alumine, présentant des phases initiales métastables, suit donc des transformations de phases lors de la montée en température qui interfèrent avec le frittage. Une structure de forme vermiculaire, avec de larges porosités difficiles à éliminer même à haute température, est systématiquement trouvée à cause de ces transformations. Une étude de l’influence de deux états d’empilement différents de particules nanométriques dans le cru sur la transformation de phase et sur la densification a été conduite, en partant de deux méthodes de mise en forme différentes i) le pressage (d’une poudre sèche) et ii) le coulage en barbotine (mise en forme d’une dispersion). Pour une même densité à cru (62% ±1%), la distribution plus homogène des porosités dans le cru coulé, grâce à une meilleure dispersion de la poudre initialement agglomérée, permet le réarrangement des particules et facilite ainsi la transformation vers la phase stable alpha. De plus, l’homogénéité de distribution de porosités de faible taille, après la transformation, limite la formation de colonies vermiculaires et favorise les cinétiques de frittage. Ce réarrangement a donc permis d’avoir une meilleure densification du compact. Malgré l’amélioration de la densité finale du compact coulé (98%) par rapport au compact pressé (78%), la taille des grains obtenue est plus grande que le micron. Afin de réduire la taille des grains dans le fritté, une optimisation des paramètres de frittage a été réalisé sur des crus coulés par variation de vitesse de chauffe et traitement thermique à basse température. La formation de la structure vermiculaire, dont la présence gêne la densification, peut être évitée pendant la transformation. Cela est possible par un traitement thermique à basse température (950°C) sur un cru coulé. Aucun grossissement des grains n’est observé après la transformation en α-Al2O3. Un ‘cru’ en α-Al2O3 avec une densité élevée (58%) et une taille de particules petites de ~30 nm (identique à la taille initiale de la poudre) a été obtenu. L’obtention de cette microstructure a permis de découpler la transformation avec le frittage/coalescence et donc d’éviter la formation d’une structure vermiculaire. Cependant, cette forme vermiculaire apparaît lors du frittage de ce ‘cru’ en α-Al2O3. Ceci montre que la forme vermiculaire n’est pas liée à la transformation de phase elle-même mais qu’elle résulte d’une coalescence/frittage des particules au premier stade de frittage. Le frittage de l’alumine α sous forme de vermicules ou sous forme de petites particules (~30 nm) donne une structure ayant une densité finale de 98% avec une taille de grains de 2 µm, équi-axes et homogènes quel que soit le chemin de frittage parcouru.

  • Titre traduit

    = Forming and sintering of powders of nanostructured ceramics : ecase of a transition alumina


  • Résumé

    The purpose of this study is to produce a fully dense nanostructured alumina ceramics from transition alumina nanopowders, via natural sintering. This alumina is metastable and this metastability may have a critical influence on the sintering behaviour. Furthermore, the transformation into the stable phase is indeed accompanied by vermicular microstructures entrapping a high proportion of intragranular pores. The effect of two forming method, i) cold isostatic pressing and ii) slip casting, on particle packing and the consequent effects on densification, phase transformation, sintering have been studied. For the same initial green density (62 % ±1 %), the samples prepared by slip casting present a better homogeneity of particle packing, du to an optimal dispersion of particles in the slurry. This initial microstructure feature improves the particle rearrangement during the transition to the -alumina and hence enhances the transformation to the thermodynamic stable phase. This rearrangement results in better densification of the compact, which then promotes the sintering of -alumina. Despite the enhancement in the density for the slip casted compact (98 %) by comparison to the pressed one (79 %), the microstructure obtained have a grain size larger than 1 µm. In order to reduce the final grain size, sintering parameters were optimised by studying the effect of heating rate and treatment at lower temperature. It was shown that the formation of vermicular microstructure, which the presence hinders the densification, can be avoided during the phase transformation. This is possible by a heat treatment at low temperature (950 °C) on a slip casted compact. A compact of -alumina with a high density (58%) and small particle size (~30 nm) (same as the initial size of the powder) was obtained. The sintering of alumina with vermicular microstructure or small particles (~30 nm) gives a final microstructure with a density of 98 % and grain size of 2 µm whatever the sintering trajectory for the same particle packing.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (140 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 126-140

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3494)
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