Contribution à la modélisation du frittage de l'alumine par chauffage micro-ondes

Contribution to the modelling of alumina sintering by microwave heating

• Auteur / Autrice : Maxence Renaux
• Direction : Christian Courtois, Julien Pellé, Damien Meresse, Anthony Thuault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de matériaux céramiques et de mathématiques (Valenciennes, Nord ; 2021-....) - Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Monica Siroux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Courtois, Julien Pellé, Damien Meresse, Anthony Thuault, Didier Delaunay, Didier Bouvard, Julie Bourret, Céline Morin, Christelle Nivot, Carole Magniez Labalette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Delaunay, Didier Bouvard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alumine

Matériaux céramiques

Frittage (métallurgie)

Mots clés libres

Frittage

Micro-ondes

Alumine

Modélisation thermique

Modélisation mécanique

Sintering

Microwave

Résumé

Depuis les années 80, le chauffage par micro-ondes connaît un regain d’intérêt pour lefrittage des matériaux céramiques. Il permet une réduction des temps de traitement (defrittage et de palier). Lesmesures de température réalisées pendant le frittage ne pouvants’effectuer qu’à distance, il n’est donc pas possible de connaître l’état de température etdonc de densification au sein du matériau. Il est donc nécessaire de développer un outilnumérique de modélisation afin d’obtenir une prédiction de l’état microstructural dumatériau pendant le traitement thermique. Tout d’abord un modèle thermique par méthodenodale est mis en place sous MATLAB. Il tient compte des propriétés thermiquesdu matériau et des conditions d’échanges aux limites : convection, rayonnement et productionde chaleur. Il permet d’obtenir le champ de température en surface et au seinde l’échantillon. Puis un modèle de densification par éléments finis est utilisé afin d’obtenirl’évolution des propriétés microstructurales (densité relative et taille de grain) d’unsystème soumis à une évolution de température pendant le frittage par micro-ondes. Lemodèle Skorohod Olevsky est implémenté sous ABAQUS. Il se base sur la mécanique desmilieux continus. Ensuite, les deuxmodèles sont couplés afin d’obtenir l’état de densificationd’un échantillon soumis à un profil de température en intégrant les différentsmodesde transferts de la chaleur. Les résultats des modèles thermique, mécanique et couplésont comparés à des mesures expérimentales obtenues pendant des frittages conventionnelset micro-ondes. Une base de données servant à alimenter les modèles est ainsiconstituée.

Since the eighties, microwave heating is receiving renewed interest in the sintering ofceramic materials. It allows a reduction in processing times (sintering and dwell times).Temperature measurements during the microwave sintering can only be carried out atdistance. It is not possible to know the state of temperature and the state of densificationwithin the material. It is therefore necessary to develop a numerical modelling toolin order to obtain a prediction of the microstructural state of the material during the heattreatment. First of all, a thermal model using the nodal method was set up in MATLAB.It takes into account the thermal properties of the material and the boundary exchangeconditions : convection, radiation and heat generation. It allows to obtain the temperaturefield at the surface and within the sample. Then a finite element densification modelis used to obtain the evolution of the microstructural properties (relative density andgrain size) of a system subjected to a temperature evolution during a microwave sintering.The Skorohod Olevsky model is implemented in ABAQUS. It is based on the continuummechanics. Then, the two models are coupled in order to obtain the densificationstate of a sample subjected to a temperature profile corresponding to the energy transfermodes. The results of the thermal, mechanical and coupled models are compared withexperimental measurements obtained during conventional and microwave sintering. Adatabase is thus built to feed the models.