De par leurs performances exceptionnelles, les matériaux céramiques sont très utilisés dans l’industrie. Les procédés conventionnels de fabrication par frittage ont néanmoins l’inconvénient d’être très longs : pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs de l’université du Maryland (UMD) a développé une méthode permettant de fritter des céramiques en quelques secondes.
Cette méthode appelée “frittage ultrarapide à haute température” (Ultrafast High-temperature Sintering, ou UHS) permet d’atteindre plus de 3 000 °C en quelques secondes, ce qui laisse entrevoir la fabrication d’un grand nombre de matériaux : métaux, oxydes, carbures, borures, nitrures, etc. Une approche innovante qu’on peut voir à l’oeuvre dans cette vidéo de l’université du Maryland (UMD).
Le frittage conventionnel : un procédé qui prend du temps
Le frittage conventionnel est un procédé extrêmement long, en plusieurs étapes, qui nécessite l’utilisation de fours dont les vitesses de chauffage et de refroidissement sont très lentes : entre 10 et 20°C/min. Ainsi, si l’on additionne les étapes de préfrittage et de cristallisation, il faut des dizaines d’heures pour obtenir des pièces céramiques fonctionnelles par ce procédé.
Par ailleurs, le frittage conventionnel présente d’autres inconvénients. Le maintien prolongé de céramiques à haute température se traduit par l’émission de composés chimiques dangereux ou polluants tels que le lithium, le sodium, le plomb ou le potassium, ce qui a également pour conséquences de dégrader la composition initiale de la céramique.
Une nouvelle méthode de fabrication ultrarapide et performante
La méthode développée par cette équipe de chercheurs consiste à chauffer par effet joule deux bandes de carbone, entre lesquelles un mélange de poudres céramiques à fritter est “emprisonné”. L’action conjointe conduction/radiation crée un environnement uniforme, à haute température, totalement compatible avec la synthèse rapide et le frittage réactif.
Cette méthode est, de loin, bien plus rapide que le frittage traditionnel puisqu’elle permet d’obtenir des échantillons de céramiques frittées en moins de 10 secondes ! En outre, un temps de frittage aussi court résout en grande partie le problème de l’évaporation et limite le phénomène d’interdiffusion à l’interface, pour les structures multicouches.
Une méthode qui accélère le développement de nouveaux matériaux
Selon Liangbing Hu, qui a dirigé ces recherches pour le Department of Materials Science and Engineering de l’UMD, “la technique de frittage ultrarapide à haute température peut non seulement être combinée avec les prévisions faites par le calcul, pour accélérer la sélection des matériaux, mais elle peut également être associée aux techniques d’impression 3D pour concevoir de multiples structures.”
La prochaine étape sera la mise en application de cette technique brevetée, à des domaines de recherche aussi variés que les batteries solides, les matériaux métalliques ou encore les verres.
A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds.
By Chengwei Wang, Weiwei Ping, Qiang Bai, Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Ruiliu Wang, Alexandra H. Brozena, Zhenpeng Xu, Jiaqi Dai, Yong Pei, Chaolun Zheng, Glenn Pastel, Jinlong Gao, Xizheng Wang, Howard Wang, Ji-Cheng Zhao, Bao Yang, Xiaoyu (Rayne) Zheng, Jian Luo, Yifei Mo, Bruce Dunn, Liangbing Hu
SCIENCE 01 MAY 2020 : 521-526
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