Microstructure and mechanical properties of glass-ceramics from the MgO-Al₂O₃-SiO₂ system for ballistic protection

par Leonardo Sant'ana- Gallo

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Tanguy Rouxel et de Edgar Dutra Zanotto.

Soutenue le 26-09-2016

à Rennes 1 en cotutelle avec l'Universidade federal de São Carlos , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (ComuE) , Institut de physique (Rennes) (laboratoire) et de Institut de Physique de Rennes (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Microstructure et propriétés mécaniques des vitrocéramiques du système mgo-Al₂o₃-SiO₂ pour la protection balistique


  • Résumé

    Afin d'examiner les effets de la cristallisation sur certaines propriétés mécaniques, l'évolution du module de Young (E), du module de cisaillement (G) et du coefficient de Poisson, ainsi que la séquence des phases cristallines formées au cours d'un traitement thermique en deux étapes ont été accompagnées sur un verre baptisé 75-25, du système MgO-Al2O3-SiO2 (MAS), en utilisant TiO2 comme le principal agent de nucléation. L'évolution de la dureté et de la résistance à la rupture a aussi été examinée. La diffractométrie de Rayons X à haute température a révélé, après cristallisation, la présence de spinelle (MgO.Al2O3) rutile (TiO2), karooite (MgO.2TiO2), sillimanite (Al2O3.SiO2) et la saphirine (4MgO.5Al2O3.2SiO2). Les modules élastiques et de cisaillement des vitrocéramiques (VC) se sont montré environ 20% plus élevés que ceux du verre précurseur. Les valeurs de dureté obtenues sont proches de 10 GPa et KIC proche de 1,2 MPa.m1/2. Dans le but de fabriquer des VCs transparentes et incolores, de nouvelles formulations, dénommées ZT1B4, 75-25/ZT et 75-25/25TI, avec des teneurs en TiO2 réduites et des teneurs en ZrO2 plus élevées, ont été proposées et cristallisées. La formulation ZT1B4 a produit une VC transparente avec une dureté maximale de 8GPa et une ténacité à la fracture (TF) à peu près 40% plus élevée que celle du verre de base. Les formulations 75-25 ZT et 75-25/25Ti ont produit des VC transparentes avec des valeurs de dureté allant jusqu'à 9GPa et une ténacité à la fracture jusqu'à 35% plus élevée que celle du verre de base. Une série de verres ont été fondus en utilisant Ag métallique, au lieu de ZrO2 et TiO2, en tant qu'agent de nucléation. Les traitements thermiques appliqués ont produit des VCs non-homogènes, qui perdent la forme en raison des températures de cristallisation élevées. Ces nouveaux verres précurseurs ont donc été écartés. La transmittance dans la région de l'ultraviolet et visible a été mesurée dans les échantillons de verre et VCs de formulation 75-25, 75-25 / ZT et 75-25 / 25TI. La formulation 75-25 / ZT a présenté la plus haute transmittance soit à l'état vitreux ou en forme de vitrocéramique. En conclusion, parmi les nouvelles compositions, la formulation 75-25 / ZT est la plus adéquate pour une utilisation en tant que protection balistique, lorsque la transparence à la lumière visible est nécessaire.


  • Résumé

    In situ experiments were conducted on a glass dubbed 75-25, of the MgO-Al2O3-SiO2 (MAS) system, using TiO2 as the main nucleating agent, in order to examine the evolution of Young’s modulus (E), shear modulus (G) and Poisson's ratio, and the sequence of the crystalline phases formed during a double-stage heat treatment. The effects of crystallization on hardness and fracture toughness were also examined. High temperature X-ray diffraction experiments revealed the presence of spinel (MgO.Al2O3), rutile (TiO2), karooite (MgO.2TiO2), sillimanite (Al2O3.SiO2) and sapphirine (4MgO.5Al2O3.2SiO2) after crystallization. The elastic and shear moduli of the glass-ceramics (GC) were approximately 20% larger than those of the parent glass. Hardness values were close to 10 GPa and KIC close to 1.2 MPa.m1/2. Aiming to obtain transparent and colorless GC, new formulations, dubbed ZT1B4, 75-25/ZT and 75-25/25Ti, with lower titania content and higher zirconia content, were proposed and crystallized. Formulation ZT1B4 yielded a transparent GC with hardness of up to 8 GPa and an indentation fracture toughness (IFT) about 40% higher than that of the parent glass. Formulations 75-25/ZT and 75-25/25Ti yielded transparent GC with hardness values of up to 9 GPa and an IFT up to 35% higher than that of the parent glass. A series of glasses were also melted using metallic Ag as nucleating agent instead of ZrO2 and TiO2. The applied heat treatments generated non-homogeneous GC, which became warped due to the high crystallization temperatures. These new precursor glasses were therefore discarded. Transmittance in the ultraviolet to visible range was measured in the glass and GC samples of formulations 75-25, 75-25/ZT and 75-25/25Ti. Formulation 75-25/ZT presented the highest transmittance in both glass and GC states. It was concluded that among the new compositions, formulation 75-25/ZT is the most suitable one for use as ballistic protection when transparency to visible light is required.



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