M1 Frittage et Vitrification de Céramiques

Topique

Le frittage de la céramique est le procédé par lequel cette céramique devient plus dense. Ce processus de densification s'effectue selon deux mécanismes : la diffusion en phase solide ou l'écoulement visqueux en phase liquide. La présence ou l'absence d'un fondant détermine le mécanisme de densification. Nous expliquerons d'abord ce qui se passe en présence d'un fondant.

La présence d'un fondant active le frittage en phase liquide : le fondant abaisse localement la température à laquelle une phase liquide apparaît entre les particules de céramique. Cette phase liquide permet la densification du matériau par écoulement visqueux, comme décrit par l'équation de Frenkel. Cette équation stipule que la vitesse de cet écoulement visqueux dépend directement de la tension superficielle qui attire les particules et inversement de la viscosité du liquide qui s'y oppose : plus la tension superficielle est élevée et plus la viscosité est faible, plus la densification en phase liquide est rapide.

En l'absence de ce même fondant, la densification se produit par un autre mécanisme : le frittage en phase solide, par diffusion. En l'absence de phase liquide, les atomes de la céramique solide migrent par diffusion le long de la surface des particules et des joints de grains, vers les points de contact entre particules voisines. Ce modèle réutilise, pour décrire ce mécanisme, le même mécanisme de striction en phase solide déjà employé, dans le même but, par le modèle équivalent pour les métaux.

Dans les deux cas, ce déplacement de matière vers les points de contact entre particules – par écoulement visqueux en phase liquide ou par diffusion en phase solide – est à l'origine de la croissance du rétrécissement entre chaque paire de particules voisines. Cette croissance du rétrécissement entraîne un rapprochement des centres des particules voisines, et cette convergence se traduit, à l'échelle de la pièce entière, par un retrait linéaire : plus le rétrécissement entre les particules est important, plus le retrait linéaire de la pièce est grand.

Ce même procédé de frittage, outre la réduction linéaire qu'il induit, détermine également la taille finale des grains de la céramique : au fur et à mesure du frittage, non seulement les ponts entre les particules s'allongent, mais les grains eux-mêmes se rapprochent, selon le même mécanisme de croissance granulaire que celui utilisé par le modèle équivalent pour les métaux. Un temps de frittage plus long, ou une température plus élevée, conduit à une taille de grain finale plus importante ; un temps de frittage plus court, ou une température plus basse, conduit à une taille de grain finale plus petite. Cette taille de grain finale correspond précisément à l'un des deux paramètres d'état microstructural décrits en détail par un autre modèle de cet ensemble.

Par conséquent, ce modèle, avec le frittage céramique qui l'a ouvert — que ce soit en phase liquide en raison de la présence de flux, ou en phase solide en raison de son absence — permet de déterminer et, de plus, de relier ses deux conséquences au reste de cet ensemble : le retrait linéaire qui produit la croissance du col, que l'autre modèle de cet ensemble suit expérimentalement au moyen de la dilatométrie, et la taille finale des grains qui contrôle le processus de frittage, lequel alimente le modèle qui décrit la microstructure de la céramique.

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