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RÉSUMÉ
Les vitrocéramiques sont des matériaux composites innovants constitués de cristaux dispersés dans une matrice vitreuse. Leur élaboration est réalisée par cristallisation partielle et contrôlée d'un verre. La maîtrise des différents mécanismes de nucléation/croissance menant à la microstructure finale et le large choix de compositions vitrifiables permettent d'accéder à divers matériaux fonctionnels pouvant combiner de nombreuses propriétés mécaniques, thermiques, optiques, énergétiques et bioactives.
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Glass-ceramics are innovative composite materials made from crystals dispersed in a glass matrix. Their elaboration is performed by the partial and controlled crystallization of a glass. The mastery of the various nucleation/growth processes leading to the final microstructure and the wide choice of glass forming compositions provide access to various functional materials that can combine a large number of mechanical, thermal, optical, energetic and bioactive properties.
Auteur(s)
-
Mathieu ALLIX : Docteur de l'Université de Caen en chimie des matériaux - Chargé de Recherche CNRS, Laboratoire CEMHTI, UPR3079, Orléans
-
Laurent CORMIER : Docteur de l'Université Pierre et Marie Curie en physique des matériaux - Directeur de Recherche CNRS, Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés, UPMC, CNRS UMR7590, Paris
INTRODUCTION
Les vitrocéramiques sont des matériaux technologiques innovants élaborés par cristallisation contrôlée du verre. Ils sont composés de cristaux dispersés dans une matrice vitreuse. Cette dualité leur permet de combiner les avantages du verre (domaine de compositions étendu, facilité de synthèse et de mise en forme et absence de porosité) avec les propriétés spécifiques des phases cristallines apparaissant lors de la cristallisation (notamment un faible coefficient d'expansion thermique).
Depuis leur découverte fortuite dans les années 1950, de nombreux travaux ont porté sur la compréhension des mécanismes de cristallisation dans les verres. Cet article débute donc par une description des différents processus de nucléation et de croissance mis en jeu lors de la cristallisation. Les aspects théoriques de la nucléation homogène et hétérogène sont abordés ainsi que les différents modes de croissance. Si la théorie classique de la nucléation offre une approche simplifiée de la cristallisation, de nouvelles théories plus performantes mais aussi plus complexes émergent aujourd'hui pour permettre d'accorder les différentes informations apportées par des techniques de caractérisation de plus en plus performantes.
La compréhension des phénomènes de nucléation/croissance est une étape importante dans la conception et le développement des vitrocéramiques. En effet, si les propriétés macroscopiques d'une vitrocéramique sont étroitement corrélées à la composition du verre initial, elles sont surtout dépendantes de la nature et de la microstructure des phases cristallines (taille, morphologie, quantité...). Lors de la conception d'une vitrocéramique à propriétés spécifiques, il est donc primordial de bien maîtriser le processus de cristallisation pour déterminer le procédé d'élaboration adapté permettant de produire la microstructure souhaitée. Quelques-uns des procédés sont détaillés dans cet article, depuis la classique utilisation d'agents nucléants favorisant une forte cristallisation en volume jusqu'au procédé moderne de cristallisation par irradiation laser permettant le design de vitrocéramiques à structures géométriques complexes 3D.
Le contrôle de la microstructure étant l'étape clé dans la conception de vitrocéramiques à propriétés particulières, il est nécessaire de pouvoir caractériser les modifications structurales lors du processus de cristallisation. L'apport des nombreuses techniques complémentaires (analyse thermique, diffraction, microscopie électronique, spectroscopie...) disponibles pour observer et caractériser l'organisation depuis l'ordre local jusqu'à l'échelle macroscopique est ainsi discuté et illustré.
Enfin, le large choix de compositions vitrifiables combiné au développement de diverses microstructures permet l'élaboration de vitrocéramiques à propriétés variées (propriétés thermiques, mécaniques, optiques, électriques, médicales, esthétiques, de stockage, énergétiques...). Les applications et les développements récents les plus remarquables sont détaillés dans cet article en s'attachant à établir le lien entre la microstructure de la vitrocéramique et les propriétés associées.
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KEYWORDS
consumer materials | optical materials | glass | ceramic | functional materials
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Propriétés et applications
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4. Caractérisations structurales et microstructure
Une description succincte des principales techniques expérimentales permettant la caractérisation des vitrocéramiques, et notamment des phénomènes de nucléation/croissance les régissant, est proposée ci-après. Nous ne détaillerons pas ici les techniques de caractérisation classiques permettant d'accéder aux propriétés d'usage (mécaniques, optiques, thermiques), mais nous focaliserons sur l'aspect microstructural fortement relié aux propriétés macroscopiques des vitrocéramiques.
4.1 Techniques de caractérisation structurale
De multiples techniques de caractérisation, en constante évolution, permettent d'observer, quantifier et analyser la microstructure des vitrocéramiques depuis l'échelle atomique jusqu'aux aspects macroscopiques. Le choix de l'utilisation d'une de ces méthodes nécessite d'identifier au préalable le type d'informations recherchées (image/morphologie, composition chimique, identification de phase, analyse qualitative ou quantitative, etc.) et les contraintes existantes (analyse destructive ou non, coût et durée de mesure, résolution spatiale requise, représentativité, etc.). C'est cependant généralement en combinant l'utilisation de plusieurs de ces techniques de caractérisation, bien souvent complémentaires, que la connaissance du matériau sera la plus complète et exacte.
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Parmi les différentes méthodes calorimétriques permettant de mesurer précisément la capacité thermique d'un matériau, l'analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC) et analyse thermique différentielle (ATD) sont les plus répandues [P 1 205] ...
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Caractérisations structurales et microstructure
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - STOOKEY (S.D.) - Corning glass work. - US patent, 2, p. 920-971 (1960).
-
(2) - HOLAND (W.), BEALL (G.H.) - Glass-ceramic technology. - Ed. Wiley-Blackwell (2012).
-
(3) - Ouvrage collectif sous la direction de NEUVILLE (D.R.) CORMIER (L.), CAURANT (D.) et MONTAGNE (L.) - Du verre au cristal : nucléation, croissance et démixtion, de la recherche aux applications. - EDP-Sciences, mai 2013.
-
(4) - ZANOTTO (E.D.) - A bright future for glass-ceramics. - American Ceramic Society Bulletin, 89(8), p. 19-27 (2010).
-
(5) - DE RÉAUMUR (R.-A.F.) - Mémoire sur l'art de faire une nouvelle espèce de porcelaine par des moyens extrêmement simples et faciles ou de transformer le verre en porcelaine. - Mémoire de l'Académie Royale des Sciences (1739).
-
(6) - ROMERO (M.), RAWLINGS (R.D.), RINCON (J.M.) - Development...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Corning http://www.corning.com/index.aspx
Saint-Gobain http://www.saint-gobain.fr/
Schott http://www.schott.com/english/index.html?country-selector=1
Eurokera https://eurokera.com/fr/
Ivoclar http://www.ivoclarvivadent.fr/fr/
Nippon http://www.neg.co.jp/EN/
Vitron http://www.vitron.de/
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
GDR Verres (GDR 3338) http://gdrverres.univ-lille1.fr/
USTV, Union pour la Science et la Technologie Verrières http://www.ustverre.fr
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