Synthèse de nanoparticules calcite-silice à structure core-shell : application comme dopant au frittage d'alumines mises en forme par coulage-coagulation pour applications orthopédiques

par Wen Zhang

Thèse de doctorat en Matériaux céramiques et traitements de surface

Sous la direction de Thierry Chartier, Cécile Pagnoux et de Fabrice Rossignol.

Soutenue en 2007

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

mots clés

• Coulage-coagulation (DCC)
• Core-shell
• Nanoparticules
• Calcite
• Silice
• Alumine -- Frittage (métallurgie)
• Orthopédie

Résumé

Un procédé de coulage-coagulation (DCC) de suspensions concentrées a précédemment été développé et breveté pour répondre aux enjeux de la mise forme de céramiques massives à base d'alumine pour applications orthopédiques. Notre travail consiste ici plus spécifiquement à optimiser l'étape de frittage des alumines ainsi mises en forme avec le double objectif d'obtenir une densité maximale et de préserver une microstructures homogène à grains submicroniques, garantes des propriétés mécaniques élevées nécessaires aux applications visées. A cet effet, des ajouts de frittage base CaCO3-SiO2 sont spécialement synthétisés sous forme de nanoparticules composites à architecture core-shell. Leur chimie de surface est adaptée pour permettre leur introduction homogène dans les suspensions concentrées d'alumine sans déstabilisation préalable au DCC. Il est aussi montré que cette architecture core-shell confère aux ajouts une excellente réactivité en température de part la grande surface de contact intime entre les constituants du cœur et de la coquille. Ces ajouts de frittage originaux, indissociables du procédé de mise en forme breveté, permettent d'atteindre les objectifs fixés en termes de densification et de microstructure.

Titre traduit

Synthesis of calcite-silica core-shell structured nanoparticules and their application as sintering additives for alumina-based ceramics shaped by direct coagulation casting for orthopaedic applications

Résumé

A Direct Coagulation Casting (DCC) process of concentrated suspensions has previously been developed and patented to shape massive alumina-based ceramics for orthopaedic applications. Our work here is more specifically focused on the sintering stage of those DCC-shaped alumina in the aim to get both a maximum density and to retain a submicron homogeneous microstructure necessary to reach high mechanical properties for the targeted applications. In this respect, CaCO3-SiO2-based sintering additives are synthesized as composite nanoparticles exhibiting a core-shell architecture. Their surface chemistry is adapted to get an homogeneous introduction in the concentrated alumina suspensions without destabilisation prior to DCC. It is also shown that the core-shell architecture leads to an increase of reactivity with temperature which is due to the large and intimate surface contact between the component of the core and that of the shell. Finally, these innovative sintering additives, that can not be dissociated of the patented shaping process, allow to reach the objectives in terms of densification and microstructure.