Spark plasma sintering mechanisms of alpha-alumina (α-Al2O3) nanopowders

par Yann Aman

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Vincent Garnier et de Elisabeth Djurado.

Soutenue en 2010

à Lyon, INSA .

  • Titre traduit

    = Etude des mécanismes de frittage SPS de nanopoudres d’alumina alpha (α-Al2O3)


  • Résumé

    L‘intérêt technologique que présentent les matériaux nanostructurés a permis l‘émergence au cours de ces dernières années du procédé de frittage flash « SPS » (Spark Plasma Sintering). A l‘origine de ce procédé, il a été supposé par ses inventeurs que l‘application d‘un courant pulsé puisse générer une décharge plasma entre les particules du matériau pulvérulent, favorisant ainsi la création de ponts à des températures faibles et accélérant les phénomènes de diffusion de matière à l‘origine de la densification à basse température. Cette hypothèse de l‘existence de plasma ou de quelconque autre effet SPS n‘a jamais été vérifiée, bien que les possibilités offertes par le SPS soient avérées. L‘objectif de cette thèse a été d‘étudier les mécanismes de frittage SPS de nanopoudres d‘alumine alpha. L‘alumine polycristalline alpha, matériau céramique modèle largement étudié dans le frittage traditionnel, possède d‘excellentes propriétés mécaniques et optiques quand la densité du matériau fritté est proche de sa valeur théorique, et que la taille de grain est submicronique. Dans un premier temps, du point de vue appliqué, cette étude a permis de caractériser, grâce à des outils statistiques puissants, l‘influence de la combinaison d‘un grand nombre de paramètres SPS (taux de chauffage, température, durée de palier) ainsi que de la mise en forme du compact cru sur l‘évolution de la densité et de la taille de grains au cours du frittage, et ses conséquences sur les propriétés optiques. Ceci a permis l‘obtention d‘alumine polycristalline de translucidité élevée. Dans un second temps, du point de vue fondamental, l‘objectif a été d‘élucider les mécanismes physico-chimiques intervenant sur les cinétiques de densification et grossissement de grain. Il a ainsi été démontré, grâce à des analyses microstructurales par microscopie électronique, que les chemins de frittage sont influencés par la vitesse de chauffage, et que la densification à basse température est guidée par des mécanismes rapides de diffusion aux joints de grains. Tandis qu‘à haute température, la densification semble contrôlée par des mécanismes lents de diffusion tels que la diffusion en volume et le glissement au joint de grain. Des analyses dilatométriques ont permis de mettre en évidence l‘influence de la nature des pulses de courant sur le développement microstructural au cours du frittage. Des analyses spectroscopiques de temps de vie de positrons ont permis de caractériser la concentration en défauts ponctuels en fonction du taux de chauffage. Enfin, l‘effet du courant pulsé sur le mécanisme de création des ponts au stade initial du frittage SPS a pu être caractérisé.


  • Résumé

    The technological interests that present the nanostructured materials allowed the emergence during these last years of the Spark Plasma Sintering “SPS” process. At the origin of this process, it was supposed by its inventors that the application of pulsed D. C. Currents can generate a plasma discharge between the particles of powdered material, thus enhancing the creation of necks at low temperatures. This was supposed to accelerate the matter diffusion and densification at low sintering temperatures, which could prevent from grain growth. This assumption of the existence of plasma or another specific SPS effect has never been verified, although the possibilities offered by the SPS are proven. The objective of this thesis was to study the SPS sintering mechanisms of α-alumina nanopowders. Polycrystalline α-alumina is a ceramic material, which has been widely studied in traditional sintering, and which has excellent mechanical and optical properties when the density of sintered material is close to its theoretical value with submicron grain size in the sintered bulk. In this thesis work, an applied approach is first developed. Thanks to powerful statistical tools, the influence of the combination of a large number of parameters SPS (rate of heating, temperature, duration of stage) as well as the green state processing on the evolution of the density and the grain size during SPS sintering, and its consequences on the optical properties, have been characterized. This allowed the obtention of highly translucent polycrystalline α-alumina. In the second time, from the fundamental point of view, the objective was to elucidate the physico-chemical mechanisms that govern the densification and grain growth kinetics. It was shown by microstructural analyzes that the sintering paths are influenced by the heating rates, and that the densification at low temperature is governed by fast mechanisms of diffusion such as grain boundaries diffusion.

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  • Détails : 1 vol. (229 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitre

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3635)
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