Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
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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Zirconia, or zirconium oxide (dioxide) has aroused considerable interest ever since the beginning of its identification and preparation. This oxide is a refractory ceramic from a chemical and thermal angle. Its physical properties and in particular those of electrical and electronic conduction are remarkable. An insulating material in the pure state, with a low n-type semi-conduction, this oxide can become a pure ionic conductor when doped. Its application field is vast in particular due to its electrical properties: solid electrolyte, in magnetohydrodynamics (MDH), fuel cell, oxygen probe, etc.
Auteur(s)
-
Gérard MOULIN : Professeur, Université de technologie de Compiègne (UTC) - Laboratoire Roberval, UMR 6253 CNRS
-
Jérôme FAVERGEON : Maître de conférences, UTC - Laboratoire Roberval, UMR 6253 CNRS
-
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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Présentation
Propriétés physiques de la zircone
En anglais
2. Transformations allotropiques
2.1 Cristallographie de la zircone pure
La zircone pure obtenue à partir du minerai possède une structure cristalline monoclinique à température ambiante. Le zirconium est alors coordonné par sept oxygènes (figure 1). Cet arrangement relativement irrégulier explique en partie la tendance de la phase monoclinique à former des macles pour minimiser les distorsions du réseau.
La zircone monoclinique présente une masse volumique égale à 5 830 kg.m−3 avec les paramètres de maille suivants :
Le groupe d'espace de la zircone monoclinique est P21/c.
La structure de la zircone pure est en fait dérivée de la structure fluorine CaF2, qui est une structure cubique dans laquelle les ions Ca2+ sont coordonnées par 8 ions F−. Cependant, la faible valeur du rapport du rayon atomique des ions Zr4+ sur celui des ions O2–, fait que la structure fluorine est déformée pour pouvoir être stable à température ambiante. Ceci explique pourquoi les valeurs des paramètres cristallins a, b et c de la zircone monoclinique sont relativement proches les unes des autres.
Grâce à la dilatation thermique, la structure se relaxe partiellement (voire totalement si la température est très élevée) permettant aussi d'obtenir une plus grande symétrie. Ainsi, la zircone monoclinique devient quadratique (encore appelée tétragonale selon la terminologie anglo-saxonne) à partir de 1 100 °C environ (sous pression atmosphérique). La phase quadratique (figure 1b)...
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Transformations allotropiques
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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