Drying behaviour of ceramic green bodies : experimental characterization and numerical modelling

par Siham Oummadi

Thèse de doctorat en Matériaux céramiques et traitements de surface

Sous la direction de David Stanley Smith et de Benoît Nait-Ali.

Le président du jury était Alexis Beakou.

Le jury était composé de Fabienne Pennec, Arnaud Alzina.

Les rapporteurs étaient Friedrich Raether, Didier Bouvard.

  • Titre traduit

    Comportement au séchage des céramiques crues : caractérisation expérimentale et modélisation numérique


  • Résumé

    Cette thèse s’inscrit dans un objectif à long terme de contrôle et de pilotage en temps réel du séchage des produits céramiques. Pour cela, cette étude se décompose en deux volets. Une première partie expérimentale qui porte sur la détermination en temps réel des paramètres de séchage (température de l’échantillon, teneur en eau et variations dimensionnelles par méthode optique). Une seconde partie, quant à elle, consiste à étudier l’évolution des propriétés physiques des matériaux pendant le séchage pour ensuite construire un modèle numérique macroscopique qui utilise ces données expérimentales. Deux matériaux céramiques ont été choisis pour cette étude : une alumine et une argile kaolinitique. L’alumine a été choisie pour son utilisation fréquente dans les céramiques techniques et le kaolin dans les céramiques traditionnelles. La partie expérimentale de cette étude a permis de déterminer le comportement macroscopique au séchage des deux matériaux ainsi que d’évaluer la dépendance des propriétés physiques (en particulier le coefficient de diffusion et la conductivité thermique) avec la teneur en eau. De plus, une étude à une échelle plus petite par RMN et microscopique par MEB environnemental a permis de mettre en relation l’évolution des propriétés physiques avec la localisation de l’eau au sein du matériau pendant le séchage. Puis, à partir de l’évaluation de nombreuses situations de séchage, les prédictions numériques se sont avérées être en bon accord avec les résultats expérimentaux. Pour conclure, ce modèle représente un bon moyen pour contrôler l’étape de séchage.


  • Résumé

    The present thesis is part of a long-term objective to control the drying step of ceramic green bodies in real-time. Given this general aim, the present work is based on two complimentary parts. The first part deals with the measurement of drying parameters (sample temperature, moisture content and dimension changes by an optical method). Then, since the ultimate objective of this work is the construction of a numerical model, an experimental evaluation of physical properties involved during drying is made for input into the model. The current study is focused on two technologically important materials frequently used in the ceramic industry which are alumina and clays (kaolin here). Alumina is one of most common raw materials used in technical ceramics and kaolin is typically used in traditional ceramics. Experimentally, the macroscopic drying behaviour of both materials zqs determined as well as the dependence of physical properties (in particular the diffusion coefficient and the thermal conductivity) on moisture content as drying proceeds. Furthermore, a study on the spatial distributions of water within the ceramic green body at different scales (MRI and ESEM) is used to interpret how physical properties vary with moisture content. Then, from the examination of numerous situations of drying, we concluded that the proposed numerical model yields good predictions of moisture content and the green body temperature. These parameters can help to evaluate progress in the drying step with eventual feedback in process control.


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