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RÉSUMÉ
Le frittage en phase liquide utilise les propriétés des liquides pour faciliter la cohésion des grains, constituer des composés fondant à température assez basse, ou aider au frittage de diverses céramiques, notamment les produits fortement covalents. Cet article détaille les différents phénomènes observés lors du frittage en phase liquide : réarrangement, dissolution, grossissement des grains, influence de la viscosité, caractéristiques du frittage par flux visqueux. Pour terminer, chaque paramètre influant le frittage en phase liquide est passé en revue.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Didier BERNACHE-ASSOLLANT : École nationale supérieure des mines (Saint-Étienne)
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Jean-Pierre BONNET : École nationale supérieure de céramique industrielle - Groupe d’étude des matériaux hétérogènes (Limoges)
INTRODUCTION
Lors de l’introduction d’un liquide dans un empilement granulaire quelconque, différents phénomènes peuvent être observés : la cohésion entre les grains augmente (tas de sable légèrement humide), une partie de la porosité est éliminée du fait de la migration du liquide dans les pores parfois accompagnée d’une contraction de l’empilement. De plus, certaines transformations très lentes peuvent être accélérées du fait de la diffusion plus rapide dans la phase liquide.
Ces propriétés des liquides sont utilisées depuis longtemps pour faciliter le frittage. Ainsi, la grésification est la règle pour les céramiques silicatées, où les réactions entre les constituants de départ forment des composés fondant à température assez basse, avec développement d’une abondante quantité de liquide visqueux.
Diverses céramiques techniques sont également frittées en présence d’une phase liquide. C’est notamment le cas des produits fortement covalents comme les nitrures, les carbures et les borures, pour lesquels les températures qu’il faut atteindre pour observer une densification significative par frittage en phase solide sont soit trop élevées, soit incompatibles avec la stabilité chimique du composé. La solution généralement retenue pour densifier ces produits consiste à favoriser l’apparition d’un liquide dans la microstructure grâce à un ajout convenablement choisi. Ce frittage peut être effectué avec ou sans application d’une pression extérieure.
Il est rare que le frittage en phase liquide n’implique pas de réactions chimiques ; lorsque l’influence de ces réactions n’est pas prépondérante, ce sont les effets d’interface qui prédominent.
Le frittage en phase solide a été traité dans la partie 1 de cet exposé, dossier Frittage : aspects physico-chimiques- Partie 1 : frittage en phase solide de ce traité. En cas de besoin, le lecteur pourra s’y reporter.
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Frittage par flux visqueux
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2. Les différentes étapes du frittage en phase liquide
On distingue habituellement trois étapes principales lors du frittage en présence d’une phase liquide, correspondant successivement au réarrangement, à la dissolution-précipitation et à la coalescence des grains [5] [6].
2.1 Réarrangement
La première étape du frittage en phase liquide est caractérisée par une augmentation très rapide de la densité apparente du matériau. Ce phénomène est lié à l’apparition de la phase liquide qui, jouant le rôle de lubrifiant, permet le glissement des particules les unes sur les autres sous l’effet des différentes contraintes existant au sein de l’empilement. Cette étape n’intervient pratiquement pas lors du frittage en phase solide, pour peu que la mise en forme ait été effectuée correctement.
HAUT DE PAGE2.1.2 Origine du réarrangement
2.1.2.1 Mouillage des grains par le liquide
Considérons un solide horizontal sur lequel repose une goutte de liquide (figure 6). Aux interfaces entre ce liquide et le solide, d’une part et le gaz d’autre part, sont associées deux tensions interfaciales notées γ sl et γ sg , respectivement.
Au point de contact entre le solide, le liquide et le gaz, l’équilibre entre ces forces de tension interfaciale et la tension superficielle du solide (γ sg) est réalisé lorsque l’égalité suivante est respectée :
L’angle θ tel que défini sur la figure 6 est appelé...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GERMAN (R.M.) - * - Sintering theory and practice, J. Wiley & Sons., New York (1996).
-
(2) - BERNACHE-ASSOLLANT (D.) - * - Chimie- physique du frittage, Hermès, Paris (1993).
-
(3) - SHAW (N.J.) - Densification and Coarsening during solid state sintering of ceramics : A review of the models. I Densification. - Powder Met. Int., 21(3), p. 16-21 ; II Grain Growth, 21(5), p. 31-35 ; III Coarsening, 21(6), p. 25-29 (1989).
-
(4) - YAN (M.F.) - Effects of physical, chemical and kinetic factors on ceramic sintering. - In Ceramic Powder Science, Advances in Ceramics, 21, The Am. Ceram. Soc. Inc, p. 635-669 (1987).
-
(5) - BREGIROUX (D.) - Synthèse par voie liquide et étude du frittage de la monazite au lanthane LaPO4 . - CEA NT SEP03/220.
-
(6) - DEFAY (R.), PRIGOGINE (I.) - Tension superficielle...
ANNEXES
* - Outre les références pour le dossier AF 6620 et pour le dossier AF 6621, le lecteur pourra aussi consulter les thèses suivantes.
NANA KOUMTOUDJI (G.L.) - Transformations thermiques, organisation structurale et frittage des composés kaolinite-muscovite. - Université de Limoges, faculté des Sciences et Techniques (2004).
LAFON (J.-P.) - Synthèse, stabilité et frittage d’hydroxyapatites carbonatées. - Univertisité de Limoges (2004).
LOUET (N.) - Influence du dopage à la silice ou à l’oxyde de calcium sur le frittage et sur l’évolution microstructurale d’une alumine et ultra pure. - INSA (2003).
Le HÔ (A.S.) - Effet de l’adjonction de bore sur les mécanismes de frittage de poudres d’un superalliage base nickel : application aux procédés de brasage-diffusion pour le rechargement de pièces de turbines aéronautiques. - Université de Poitiers, faculté des Sciences fondamentales et appliquées (2003).
HERBST (F.) - Transformation – frittage d’alumines de transition nanostructurées : rôle des conditions de mise en forme du cycle thermique, de l’ensemencement et du dopage. - Université de Paris-Sud (2002).
CLEMENTZ (P.) - Contribution à la modélisation du frittage avec phase liquide utilisant la théorie de l’homogénéisation. - Université de Franche- Comté, UFR des Sciences et Techniques (2002).
CANALE (P.) - Étude des mécanismes du frittage d’un composite à matrice métallique et à dispersoïdes de diamant. - Université de Paris-Sud (2001).
POLETTI (A.) - Contribution à l’étude du frittage des mélanges UO2+x– CeO2 traités sans atmosphère oxydante : comparaison avec le système UO2+x– PuO2 . - Université de Limoges, faculté des Sciences et Techniques (2001).
GENDRON (D.) - Étude numérique et expérimentale...
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