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EnglishRÉSUMÉ
La zircone, ou oxyde de zirconium (dioxyde), a suscité un vif intérêt dès le début de son identification et de sa préparation. Cet oxyde est une céramique à caractère réfractaire tant du point de vue chimique que thermique. Ses propriétés physiques, de conduction électrique et électronique notamment, sont remarquables. Isolant à l'état pur avec une faible semi-conduction de type n, cet oxyde peut devenir conducteur ionique pur s'il est dopé. Le champ d’application de cet oxyde est vaste, notamment du fait de ses propriétés électriques : électrolyte solide, veine pour la magnétohydrodynamique (MHD), pile à combustible, sonde à oxygène...
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Gérard MOULIN : Professeur, Université de technologie de Compiègne (UTC) - Laboratoire Roberval, UMR 6253 CNRS
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Jérôme FAVERGEON : Maître de conférences, UTC - Laboratoire Roberval, UMR 6253 CNRS
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Gérard BÉRANGER : Professeur émérite, UTC - Laboratoire Roberval, UMR 6253 CNRS - Membre de l'Académie des technologies
INTRODUCTION
La zircone, ou oxyde de zirconium (dioxyde), a suscité un vif intérêt dès le début de son identification et de sa préparation. En effet, cet oxyde présente plusieurs variétés allotropiques suivant la température ; de plus, la pression ou une contrainte mécanique peut agir sur la structure, ce qui en fait un matériau de choix pour étudier les transformations cristallographiques, d'autant que l'une d'entre elles est de type martensitique (donc avec cisaillement) accompagnée d'une forte hystérésis thermique. Cet oxyde est une céramique à caractère réfractaire tant du point de vue chimique que thermique. Ses propriétés physiques, de conduction électrique et électronique notamment, sont remarquables. Isolant à l'état pur avec une faible semi-conduction de type n, cet oxyde peut devenir conducteur ionique pur s'il est dopé. Le champ des applications à ce dernier titre est vaste : électrolyte solide, veine pour la magnétohydrodynamique (MHD), pile à combustible, sonde à oxygène… Ses modes de préparation ont dans cet esprit, suscité de nombreux travaux allant du procédé sol-gel jusqu'à la fusion en four solaire, en passant par des procédés de précipitation ou de coprécipitation plus traditionnels. Par ailleurs, cet oxyde doit aussi une partie de son intérêt au fait qu'il est le produit de corrosion formé sur les gaines en alliages de zirconium dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP). Le comportement mécanique de la couche de zircone formée sur ces gaines en cours de fonctionnement, et donc le caractère plus ou moins protecteur de cette couche, conditionne la tenue à long terme de l'ensemble des grappes de combustible (phénomènes de « breakaway » ou de desquamation).
Au vu de ce descriptif, on peut apprécier que la zircone constitue un matériau type dont les propriétés d'usage sont étroitement liées aux aspects structuraux (cristallographie et défauts ponctuels). Ces différents aspects seront repris et décrits dans la suite de cet article.
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5. Domaines d'application
Compte tenu des propriétés physiques particulières et remarquables de la zircone sur le plan thermique, électrique, mécanique et chimique, les applications sont variées et nombreuses ; elles mettent en jeu, suivant les cas, telle ou telle propriété. Toutefois, les deux caractéristiques qui sont les plus mises à profit sont la conductivité thermique et la conductivité ionique.
5.1 Utilisation de la conductivité ionique
La zircone est un matériau de base incontourné et incontournable à l'heure actuelle dans bon nombre d'applications nécessitant des matériaux à bonne conductivité ionique, comme celles relatives aux piles à combustible, aux capteurs à oxygène, aux pompes électrochimiques à oxygène. Rappelons que la conductivité ionique de la zircone est due aux lacunes d'oxygène qui résultent de l'adition de dopants hétérovalents, comme Y2O3. Dans ces domaines d'application, on tient également compte de la bonne combinaison de l'ensemble de ses propriétés (thermiques, mécaniques, chimiques…).
HAUT DE PAGE
Nota : sur les piles à combustible, le lecteur est invité à consulter :
-
Piles à combustible PEMFC et SOFC ;
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Piles à combustible .
E. Baur et H. Preiss avaient déjà, dans les années 1930, en Suisse, préconisé l'utilisation de matériaux comme le zirconium, l'yttrium, le cérium, le lanthane et le tungstène dans les piles à combustible à haute température équipées d'un électrolyte à oxyde solide (Solid Oxide Fuel Cell : SOFC) . Mais c'est seulement en 1962 qu'une cellule utilisant un oxyde de zirconium et un oxyde de calcium a pu fonctionner au sein de la société Westinghouse.
Le principe de fonctionnement d'une telle pile SOFC correspond à une oxydo-réduction contrôlée...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BLUMENTAL (W.B.) - The chemical behaviour of zirconium - Nostrand company inc., New-York (1958).
-
(2) - DAMBREVILLE (A.), PHILIPPE (M.), RAY (A.) - La Céramique de zircone ou « La nuit tous les chats sont gris » - Maîtrise Orthopédique (http://www.maitrise-orthop.com), 78 (1998).
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(3) - LANGERON (J.P.) - « Zirconium » dans Nouveau Traité de Chimie Minérale, sous la direction de P. Pascal, Éditions Masson et Compagnie - Paris, Volume 9, pp. 216-220 (1963).
-
(4) - STEVENS (R.) - Zirconia and zirconia ceramics - Magnesium Elektron, 113, pp. 1-51 (1986).
-
(5) - DEBUIGNE (J.) - Contribution à l'étude de l'oxydation du zirconium et de la diffusion de l'oxygène dans l'oxyde et dans le métal - Thèse de Doctorat, Université de Paris (1966).
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(6) - JOMARD...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Piles à combustible PEMFC et SOFC. Description et gestion du système
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Piles à combustible PEMFC et SOFC. Transferts de chaleur et de masse
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Capteurs chimiques et biochimiques
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Approche scientifique des surfaces. Caractérisation et propriétés
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Corrosion sèche des métaux. Cas industriels : oxydation, carburation
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...
NORMES
-
Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus - ASTM G 65 - 2004
ANNEXES
L. Rose, O. Kesler, A. Burgess, Z. Tang, Matériaux céramiques densifiés et méthodes associées, n° de publication : WO/2008/095317, n° de la demande internationale : PCT/CA2008/000272.
R. Sartzlander, W.G. Coors, Préparation de produits frittés de réaction de zircone stabilisé à l'yttrium, n° de publication : WO/2008/089037, n° de la demande internationale : PCT/US2008/050748.
M.E. Badding, S.M. Garnier, S.L. Hagg, T.D. Ketchman, J.A. Miller, D.J. Sint-Julien, Feuille d'électrolyte avec zones de compositions différentes et dispositif de pile à combustible la comprenant, n° de publication : WO/2008/039318, n° de la demande internationale : PCT/US2007/020118.
K. Hata, N. Aikaa, M. Shimomura, Procédé de production de feuille à électrolyte solide, n° de publication : WO/2007/013567, n° de la demande internationale : PCT/JP2006/314924.
K. Hata, Y. Mizutani, K. Hisada, K. Ukai, M. Yokoyama, Feuille électrolytique destinée à une pile à combustible d'oxyde solide, son procédé de fabrication et élément de pile à combustible d'oxyde solide, n° de publication : WO/2006/087959, n° de la demande internationale : PCT/JP2006/302185.
M.M. Seabaugh, K. Sabolsky, M.J. Day, Structures céramiques stratifiées,...
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