Development of optically transparent alumina and spinel ceramics with fine microstructure

par Annika Pille

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Andrei Kanaev et de Frédéric Schoenstein.

Soutenue le 19-12-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) , en partenariat avec Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (laboratoire) et de Université Paris 13 (Etablissement de préparation) .

Le président du jury était Dominique Vrel.

Le jury était composé de Judith Monnier, Eduard Feldbach.

Les rapporteurs étaient Isabelle Monot-Laffez, Anatole Khodan.

  • Titre traduit

    Développement de céramiques d'alumine et de spinelle optiquement transparentes à microstructure fine


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l’élaboration et l’étude des propriétés physiques de céramiques à base d’alumine optiquement transparentes et luminescentes pour lesquelles des applications sont envisagées dans le domaine des matériaux résistants aux rayonnements ionisants. L’enjeu de ce travail a consisté à obtenir un matériau qui présente simultanément une densité élevée et des tailles de grains à l’échelle nanométrique afin de conférer respectivement à la céramique des propriétés de transparence et une résistance aux radiations ionisantes par la capture et la recombinaison des charges induites au niveau des joints de grains.Des céramiques de composition Al2O3 et MgAl2O4 ont été consolidées par Spark Plasma Sintering (SPS) à partir d’alumines ultra-poreuses (UPA) d’une part, et par frittage réactif d’un mélange de précurseur Al2O3 : MgO dans un ratio 1 : 1 d’autre part. Les UPA ont été élaborés par un procédé original mis en place au LSPM. Elles ont ensuite été imprégnées par une solution de nitrate de magnésium puis calcinée à basse température afin d’obtenir le « Précurseur Nanostructuré » (PN) pour la phase spinelle MgAl2O4. Les PNs synthétisés, tout comme les UPA, ont ensuite été consolidées par SPS. Les paramètres de frittage ont été optimisés de manière à obtenir des céramiques possédant les propriétés microstructurales et physiques visées. L’effet de Ta2O5 comme inhibiteur de croissance des grains a été éprouvé sur la microstructure des céramiques élaborées. Les propriétés de transmittance ainsi que de luminescence, avant et après irradiation, des matériaux les plus prometteurs ont été mesurées et corrélées à leurs caractéristiques structurales.


  • Résumé

    This thesis deals with the elaboration and study of the physical properties of optically transparent and luminescent alumina-based ceramics for which applications are foreseen in the field of ionizing radiation resistant materials. The challenge of this work was to obtain a material that simultaneously has a high density and grain size at the nanoscale in order to give the ceramic transparency properties and resistance to ionizing radiation by capturing and recombination of induced charges at the grain boundaries. Ceramics of composition Al2O3 and MgAl2O4 were consolidated by Spark Plasma Sintering (SPS) from ultra-porous aluminas (UPA) on the one hand, and by reactive sintering of a mixture of Al2O3: MgO precursor in a ratio of 1 : 1 on the other hand. The UPAs were developed using an original process implemented at the LSPM. They were then impregnated with a solution of magnesium nitrate and then calcined at low temperature to obtain the "Nanostructured Precursor" (NP) for the spinel phase MgAl2O4. The synthesized NPs, like the UPAs, were then consolidated by SPS. The sintering parameters have been optimized to obtain ceramics with the desired microstructural and physical properties. The effect of Ta2O5 as a grain growth inhibitor has been tested on the microstructure of elaborated ceramics. The transmittance and luminescence properties, before and after irradiation, of the most promising materials were measured and correlated with their structural characteristics.


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