Frittage hydrothermal : un procédé de frittage basse température - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Hydrothermal sintering : a low temperature sintering densification process

Frittage hydrothermal : un procédé de frittage basse température

Résumé

The development of new technologies to reduce energy consumption involves the use of non-conventional sintering processes. Most of these processes allow the sintering time to be reduced by the use of new stimuli, but the temperatures applied remain high. This is where hydrothermal sintering stands out. Indeed, this process allows to obtain dense ceramics at temperatures below 300°C, which also offers particularly interesting perspectives in terms of new materials and multi-materials. The driving force of sintering lies in the presence of an intraparticle stress field, induced by the application of an external pressure, which will generate dissolution/precipitation phenomena at the solid/liquid interfaces. This densification mechanism based on mechano-chemical effects evolves in synergy with complex chemical mechanisms, closely linked to the surface chemistry of the particles. In the case of silica, the presence of surface silanols favours densification through the formation of interparticle siloxane bridges which lead to the formation of sintering necks by polycondensation. The main objective of this thesis is to optimise all the steps inherent to hydrothermal sintering and to identify the mechanisms involved in densification. In this thesis, the surface chemistry of nanoscale commercial silica particles and their interaction with the solvent during the preliminary powder/solvent mixing step were studied. A very fast desorption kinetics of the solvent on the surface of the particles was demonstrated. The threshold value in terms of the amount of solvent added was identified and the distribution of solvent within the powder was studied by X-ray tomography. Via a strategy of interrupted tests during the sintering cycle of the silica with water as solvent, it was possible to follow the evolution of the size and distribution of the porosity. The addition of a mineraliser, NaOH, was shown to be essential to exalt the dissolution phenomena and thus optimise the densification of the silica. An innovative device was designed and implemented to measure, in situ during hydrothermal sintering, the linear shrinkage of the samples. This valuable contribution allowed the identification of the optimal parameters for densifying the silica with a densification rate of over 90%. A kinetic study of the first stage of hydrothermal sintering, based on the kinetic equation of the Coble two-particle model, and supported by in situ dilatometry measurements, was carried out on two materials ZnO and SiO2. Two methods were tested and compared, an anisothermal method and an isothermal stepwise method, to determine the activation energy of the limiting mechanism and the coefficient determining the transport location (p). In the case of ZnO, the two methods led to very similar results: the activation energy of the first stage of ZnO sintering is 90 kJ.mol-1 and the coefficient p is 2, consistent with dissolution reaction at the grain boundaries as the rate controlling mechanism. The preliminary kinetic study of the first stage of hydrothermal sintering of silica was carried out using the isothermal stepwise method. The activation energy is 75 kJ.mol-1, in the same range as that of ZnO. However, the p-value of 5.2 obtained for silica is significantly higher than for ZnO; it remains at this stage more complex to provide interpretation in terms of the localisation of the dissolution surfaces. For these two model materials, surface chemistry and reactivity are important factors to consider in the interpretation of the mechanisms involved in hydrothermal sintering.
Le développement de nouvelles technologies permettant de réduire la consommation d’énergie passe par l’utilisation de procédés de frittage non conventionnels. La majorité de ces procédés permet de diminuer le temps de frittage par de nouveaux stimulus, néanmoins les températures appliquées restent toujours élevées. C’est sur ce point que se démarque le frittage hydrothermal. En effet, ce procédé permet d’obtenir des céramiques denses à des températures inférieures à 300°C ce qui offre également des perspectives particulièrement intéressantes en termes de nouveaux matériaux et multi-matériaux. La force motrice du frittage réside dans la présence d’un champ de contrainte intraparticulaire, induit par l’application d’une contrainte extérieure, qui va générer des phénomènes de dissolution / précipitation aux interfaces solide / liquide. Ce mécanisme de densification basé sur des effets mécano-chimiques évolue en synergie avec des mécanismes chimiques complexes, intimement liés à la chimie de surface des particules. Dans le cas de la silice, la présence de silanols de surface favorise la densification par la formation de ponts siloxanes interparticulaires à l’origine de la formation de cous de frittage par polycondensation. L’objectif principal de cette thèse est d’optimiser l’ensemble des étapes inhérentes au frittage hydrothermal est d’identifier les mécanismes qui entrent en jeu lors de la densification. Dans le cadre de cette thèse, la chimie de surface de particules nanométriques de silice commerciale et leur interaction avec le solvant lors de l’étape préliminaire de mélange poudre/solvant ont été étudiées. Une cinétique de désorption très rapide du solvant à la surface des particules a pu être mise en évidence. La valeur seuil en terme de quantité de solvant ajoutée a été identifiée et la répartition de solvant au sein de la poudre a été étudiée par tomographie des rayons X. Via une stratégie d’essais interrompus au cours du cycle du frittage de la silice avec l’eau comme solvant, il a été possible de suivre l’évolution de la taille et de la distribution de la porosité. L’ajout d’un minéralisateur, NaOH, s’est avéré indispensable pour exalter les phénomènes de dissolution et donc optimiser la densification de la silice. Un dispositif innovant a été conçu et mis en oeuvre pour mesurer, in situ pendant le frittage hydrothermal, le retrait linéaire des échantillons. Cette contribution précieuse a permis d’identifier les paramètres optimums permettant de densifier la silice avec un taux de densification supérieur à 90%. Une étude cinétique de la première étape du frittage hydrothermal, basée sur l’équation cinétique du modèle à deux particules de Coble, et étayée par les mesures de dilatométrie in situ, a été menée sur deux matériaux ZnO et SiO2. Deux méthodes ont été éprouvées, une méthode anisotherme et une méthode isotherme par paliers successifs, afin de déterminer l’énergie d'activation du mécanisme limitant et le coefficient déterminant la localisation du transport (p). Dans le cas de la densification de ZnO, les deux méthodes ont conduit à des résultats très similaires : l’énergie d’activation de la première étape du frittage de ZnO est de 90 kJ.mol–1 et le coefficient p de 2, cohérent avec une réaction limitante de dissolution aux joints de grains. L’étude cinétique préliminaire de la première étape du frittage hydrothermal de la silice a été menée en utilisant la méthode isotherme par paliers successifs. L’énergie d’activation est de 75 kJ.mol–1, dans la même gamme que celle de ZnO. En revanche la valeur de p de 5.2 obtenue pour la silice est significativement plus élevée que pour ZnO ; elle reste à ce stade plus complexe à interpréter en termes de localisation des surfaces de dissolution. Pour ces deux matériaux modèles, la chimie et la réactivité de surface sont des facteurs importants à considérer dans l’interprétation des mécanismes mis en jeu lors du frittage hydrothermal.
Fichier principal
Vignette du fichier
VILLATTE_LUCAS_2022.pdf (12.25 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04114478 , version 1 (02-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04114478 , version 1

Citer

Lucas Villatte. Frittage hydrothermal : un procédé de frittage basse température. Matériaux. Université de Bordeaux, 2022. Français. ⟨NNT : 2022BORD0443⟩. ⟨tel-04114478⟩
92 Consultations
72 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More