E5 Diagramme de phases en céramique

Topique

L'équilibre de phase d'un système céramique multicomposant, par exemple un système composé de dioxyde de silicium et d'oxyde d'aluminium, est l'objet de ce modèle. Sa caractéristique principale est que, contrairement à ce qui se produit souvent dans les systèmes métalliques, ce type de système présente fréquemment une réaction péritectique plutôt qu'une simple réaction eutectique. Le fait que cette réaction péritectique soit le comportement le plus fréquent dans un système céramique multicomposant implique qu'il est nécessaire d'expliquer en quoi elle diffère d'une simple réaction eutectique avant de poursuivre.

Lors d'une simple réaction eutectique, le liquide se transforme directement, par refroidissement, en deux phases solides distinctes qui se forment simultanément. Dans une réaction péritectique, en revanche, le liquide réagit avec une phase solide déjà formée, et une phase solide distincte résulte de cette réaction entre le liquide et le solide préexistant. Le fait que le système céramique multicomposant réagisse de cette seconde manière signifie que la phase solide finale du système dépend à la fois du liquide restant et de la phase solide initialement formée.

Le fait que le système céramique présente cette réaction péritectique spécifique — et aucune autre — à un point particulier du diagramme de phase est dû à son énergie libre de mélange, modélisée comme celle d'une solution régulière. Cette énergie libre de mélange détermine la position exacte des lignes d'équilibre invariantes sur le diagramme, y compris la ligne péritectique déjà présentée, par le biais d'une relation de Clausius-Clapeyron. Cette relation décrit le déplacement d'une ligne d'équilibre entre phases en fonction des variations de température, dues aux échanges de chaleur et de volume entre ces phases lors de la transformation. Puisque cette énergie libre de mélange détermine la position de ces lignes, la localisation précise de la réaction péritectique sur le diagramme n'est pas arbitraire, mais découle directement des propriétés thermodynamiques du mélange.

Cependant, cette même condition d'équilibre de phase ne dépend pas uniquement de l'énergie libre de mélange nominale : l'activité chimique de chaque composant — qui s'écarte de sa concentration nominale lorsque le mélange ne se comporte pas comme une solution idéale — modifie la condition d'équilibre de phase exacte. Si l'activité chimique d'un composant diffère de sa concentration nominale, l'état d'équilibre s'écarte de celui prédit par cette seule concentration nominale.

Une fois cet équilibre de phase établi, la règle des phases permet de quantifier, pour une composition et une température données, la fraction du système céramique correspondant à chacune des phases présentes : cette fraction est déterminée par la distance entre la composition globale du système et la composition de chaque phase, dans la région biphasée du diagramme. Si la composition globale du système est plus proche de celle de l'une des phases, la fraction de cette phase sera plus importante ; si elle est plus proche de celle de l'autre phase, la fraction de cette dernière sera plus importante. Ce modèle réutilise, pour ce calcul, la même règle des phases que le modèle équivalent pour les systèmes métalliques emploie déjà dans le même but.

Par conséquent, ce modèle, avec l'équilibre de phase du système céramique multicomposant avec lequel il a été établi, détermine à la fois la réaction péritectique qui caractérise ce système et la fraction de chaque phase présente en son sein : la première, par l'énergie libre de mélange et l'activité chimique qui régissent la condition d'équilibre ; la seconde, par la règle du levier réutilisée du modèle équivalent pour les systèmes métalliques.

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