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Theses Year : 2021

Free standing aluminum silicate coatings with thickness up to 1 cm and 80% porosity by plasma spraying : development and thermomechanical characterization

Des revêtements autoportés en aluminosilicates jusqu'à 1 cm d'épaisseur et 80 % de porosité par projection plasma : développement et caractérisation thermomécanique

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Abstract

Considerable attention is now being focused on porous ceramics in the industrial field as used in a large variety of applications, such as thermal insulation, filter membranes, catalysts, heat exchangers, bioreactors, and refractories. As part of thermal insulating function, this study evaluates the plasma spraying process for the realization of materials that combine high porosity rates, higher than 70%, with good mechanical strength, so these materials could be machined. Operating temperatures around 1 200 °C and mass minimization stresses influence sprayed material choice to aluminum silicates. Considering the expected porosity rates, different pore formers were used in plasma spraying. Depending on the pore former nature, the plasma spraying parameters and the powder morphologies, several organized porous microstructures with a thickness of one millimeter and porosity rates between 70 and 80% were obtained. To satisfy the functional requirements, the 80% microstructure, resulting from the evacuation of aromatic polyester was obtained over one centimeter. This required a thorough study of residual stresses induced during plasma spraying and cooling steps, carried out by the deflection measurement method on standardized specimens. Understanding the mechanism that generated these stresses and minimizing them allowed the spraying of thick, flat and cylindrical microstructures. The thermomechanical behavior associated with such microstructures was analysed with different porous mullite shades. Thermal conductivities of 80 mW.m-1.K-1 were measured at room temperature on amorphous microstructures and then at temperature up to 800 °C on crystallized and amorphous structures. Young modulus, flexural stress and strain at rupture were evaluated by destructive (bending 3 – 4 points) and non-destructive (acoustic wave testing) methods. Finally, empirical relationships describing thermal and mechanical behaviour of free standing mullite microstructures following porosity and heat treatments were presented. In the end, coatings obtained by plasma spraying process have similar thermal and mechanical properties to those traditionally obtained in the literature by more conventional processes, such as gelcasting.
Les céramiques poreuses font l’objet d’une très grande attention dans le domaine de l’industrie car elles sont utilisées pour une grande variété d’applications, telles que l’isolation thermique, les membranes filtrantes, les catalyseurs, les échangeurs thermiques, les bioréacteurs et les réfractaires. Dans le cadre d’une fonction d’isolation thermique, cette étude évalue le procédé de projection plasma pour la réalisation de matériaux associant des taux de porosité élevés, supérieurs à 70 %, à une bonne tenue mécanique, pour que ces matériaux soient usinables. Les températures de fonctionnement, de l’ordre de 1 200 °C, et les contraintes de minimisation de masse orientent le choix des matériaux à projeter vers les aluminosilicates. Considérant les taux de porosité recherchés, différents agents porogènes ont été utilisés en projection plasma. Selon la nature de l’agent, des paramètres de projection et de la morphologie des poudres, différentes microstructures poreuses structurées d’épaisseur un millimètre, dont la porosité varie entre 70 et 80 %, sont obtenues. Pour satisfaire les exigences fonctionnelles, la microstructure à 80 %, issue de l’évacuation d’un polyester aromatique, a été obtenue sur un centimètre. Ceci a nécessité une étude approfondie des contraintes résiduelles induites durant les phases de projection et de refroidissement, réalisée par la méthode de la mesure de la flèche sur des éprouvettes normalisées. La compréhension des mécanismes générant ces contraintes et leur minimisation ont permis l’obtention de microstructures épaisses planes et cylindriques. Le comportement thermomécanique associé à de telles microstructures a été analysé sur différentes nuances poreuses en mullite. Des conductivités thermiques de 80 mW.m-1.K-1 sont mesurées à température ambiante sur des microstructures amorphes puis en température jusqu’à 800 °C sur des structures amorphes et cristallisées. Le module d’Young, la contrainte et la déformation à la rupture sont quantifiées via des méthodes destructives (flexion 3 – 4 points) et non destructives (tests d’ondes acoustiques). Enfin, des relations empiriques décrivant le comportement thermique et mécanique de microstructures autoportées en mullite suivant la porosité et le traitement thermique subi par ces dernières sont présentées. Les revêtements obtenus par projection plasma possèdent des propriétés thermiques et mécaniques analogues à celles classiquement obtenues dans la littérature par des procédés plus conventionnels, type « gelcasting ».
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Dates and versions

tel-03334456 , version 1 (03-09-2021)

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  • HAL Id : tel-03334456 , version 1

Cite

Vincent Fournier. Des revêtements autoportés en aluminosilicates jusqu'à 1 cm d'épaisseur et 80 % de porosité par projection plasma : développement et caractérisation thermomécanique. Matériaux. Université de Limoges, 2021. Français. ⟨NNT : 2021LIMO0043⟩. ⟨tel-03334456⟩
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