Céramiques silicatées à résistance mécanique et ténacité élevées

par Kévin Boussois

Thèse de doctorat en Matériaux céramiques et traitements de surface

Sous la direction de Philippe Blanchart et de Nicolas Tessier-Doyen.

Soutenue en 2013

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    Des céramiques multicouches à microstructure organisée ont été obtenues à partir de kaolin et de fibres silico-alumineuses. Ce type de microstructure permet d’améliorer significativement la contrainte à la rupture et la ténacité, qui sont des propriétés essentielles des céramiques d'utilisation courante. Les deux voies principales qui favorisent l'organisation microstructurale sont (i) l'utilisation d'un procédé de mise en forme favorisant l'orientation préférentielle de particules de forme anisotrope dans le compact de poudre. C'est le cas des mélanges de kaolinite et de fibres mis en forme par pressage et surtout par coulage en bande; (ii), la recristallisation de cristaux aciculaires de mullite au cours du frittage se fait dans des directions préférentielles à partir des feuillets de kaolinite et des fibres qui ont un rôle de templates pour la croissance orientée de la mullite. Il en résulte un processus anisotrope de frittage dans les directions parallèle et perpendiculaire à l'orientation des feuillets de kaolin et des fibres. Simultanément à la densification, la croissance de la mullite est aussi fortement anisotrope, induisant la formation d’une microstructure micro composite organisée dans laquelle la majorité des grands cristaux de mullite sont principalement orientés dans la direction de coulage et perpendiculairement aux fibres. A l'échelle macroscopique, les matériaux présentent des propriétés mécaniques fortement corrélées au degré d'organisation des cristaux de mullite dans la microstructure. Les valeurs de contrainte à la rupture et surtout de ténacité sont significativement améliorées malgré la faible teneur en fibres (entre 1 et 5% volumique), en comparaison des propriétés de céramiques silicatées usuelles.

  • Titre traduit

    Silicate ceramics with high mechanical strength and fracture toughness


  • Résumé

    Multilayer ceramic materials with organized microstructures were obtained from kaolin and alumino-silicate fibers. This kind of microstructure can significantly improve tensile strength and toughness, which are essential properties for conventional ceramics. The two main ways promoting microstructural organization are (i) the use of an adapted shaping process favoring the preferential orientation of anisotropic particles in the compact powder. This is the case of mixtures composed of kaolinite and fibers shaped by pressing and especially by tape casting; (ii) the recrystallization of mullite needle crystals during sintering occurs in preferred directions from the layers of kaolinite and fibers. This addition of template contributes to impose the mullite growth direction. An anisotropic sintering is then obtained in the directions parallel and perpendicular to the orientation of the layers of kaolin and fibers. Simultaneously to the densification, the growth of mullite is highly anisotropic, inducing the formation of a micro composite with an organized microstructure in which the majority of large mullite crystals are mainly oriented in the casting direction and perpendicular to the fibers. At the macroscopic scale, materials exhibit mechanical properties strongly correlated to the organization degree of mullite crystals in the microstructure. The values of tensile strength and toughness are mostly increased despite the low fiber content (between 1 and 5 vol. %) compared to the properties of usual silicate ceramics.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (188 p.)
  • Annexes : Bibliographie 16 p.

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