Sur un nouveau procédé de frittage de céramiques à basse température : le frittage hydrothermal. Développement et approche mécanistique

Abstract

Le développement de nouveaux matériaux à hautes performances dépend fortement des procédés de frittage mis en oeuvre. La réduction de l’énergie libre de surface, force motrice de la densification, peut être activée en appliquant une pression extérieure et/ou en améliorant les processus de diffusion en phase solide ou liquide à l’aide de chauffages ultra rapides, les procédés associés requérant de hautes températures. Ainsi, le challenge est de permettre une densification à basse température afin de surmonter les verrous technologiques actuels (procédé peu coûteux et économe en énergie ; frittage de matériaux métastables, à basse température de décomposition et/ou nanométriques ; cofrittage de multimatériaux). Dans ce contexte, un procédé innovant de frittage hydrothermal inspiré des processus géologiques de densification a été développé : une contrainte uniaxiale est appliquée à une poudre en présence d’eau en conditions hydrothermales sur des durées relativement courtes. La force motrice principale réside dans les gradients de contrainte intragranulaires générant des phénomènes de dissolution-précipitation aux interfaces liquide/solide. Outre une optimisation du procédé, l’objectif principal a été la compréhension des mécanismes complexes spécifiques au frittage hydrothermal d’un matériau modèle, la silice nanométrique. Il a été montré que les effets mécano-chimiques à l’origine du fluage par dissolution sous contrainte sont assistés avec synergie par des effets chimiques de type polycondensation. L’influence de chaque paramètre de frittage (température, pression, durée de palier, rampe de montée en température, quantité de solvant, utilisation d’un co-solvant ou d’un agent minéralisateur) a été identifiée et a permis d’optimiser la densification de la silice (86-88% de compacité). De plus, du quartz-α massif polycristallin et nanométrique a pu être obtenu avec une densité relative de 98%. Enfin, le frittage hydrothermal a été mis en oeuvre pour la densification de multimatériaux complexes. Des nanocomposites de type 0-3 où des nanoparticules de pérovskite de manganèse sont dispersées dans une matrice de silice ont ainsi été obtenus. L’apport de cette nanostructuration sur les propriétés de magnétotransport a été évalué.