M2 Formage et Rhéologie des Suspensions Céramiques

Topique

Le comportement rhéologique de la suspension céramique, avant frittage, est étudié dans ce modèle. Ce comportement est décrit par l'un des deux modèles suivants : le modèle de Bingham ou le modèle de Herschel-Bulkley. Le modèle de Bingham décrit une suspension se comportant comme un solide rigide jusqu'à ce qu'une certaine contrainte seuil soit atteinte, après quoi elle s'écoule avec une viscosité constante. Le modèle de Herschel-Bulkley, quant à lui, décrit une suspension qui doit également dépasser ce seuil pour commencer à s'écouler, mais dont la viscosité, une fois dépassée, n'est plus constante et varie en fonction de la vitesse de déformation. Le fait que la suspension doive franchir une contrainte seuil pour commencer à s'écouler, dans les deux modèles, lui confère un comportement à la fois de solide au repos et de fluide en mouvement.

La rhéologie de la suspension détermine la qualité de la pièce d'argile crue obtenue après mise en forme : si la suspension est trop fluide, les particules de céramique se déposent de manière hétérogène avant la mise en forme, ce qui engendre une pièce d'argile crue présentant des défauts de tassement. Si la suspension est trop visqueuse, elle ne remplit pas complètement le moule, laissant des bulles d'air emprisonnées dans la pièce d'argile crue. Ce n'est que dans une plage intermédiaire de cette rhéologie – ni trop fluide, ni trop visqueuse – que la pièce d'argile crue acquiert la qualité requise pour la suite du processus.

Dans cette plage rhéologique appropriée, le coulage en barbotine est l'une des techniques utilisées pour façonner la pièce d'argile crue à partir de cette suspension : la suspension est versée dans un moule poreux qui absorbe l'eau par capillarité. À mesure que le moule absorbe l'eau, une paroi solide se forme de l'intérieur vers l'extérieur. L'épaisseur de la paroi dépend donc directement de cette croissance : plus la suspension reste longtemps dans le moule, plus la paroi s'épaissit. Cependant, cette croissance ralentit car la paroi déjà formée empêche l'eau de continuer à s'écouler de l'intérieur de la pièce vers le moule. L'extrusion est l'autre technique permettant de façonner une pièce d'argile crue à partir de cette même suspension, mais en utilisant ici une pâte visqueuse au lieu d'une barbotine liquide. Elle est modélisée par l'équation de Hagen-Poiseuille : cette équation stipule que le débit de la pâte traversant la filière d'extrusion dépend directement de la pression appliquée, et inversement de la viscosité de la pâte et de la longueur de la filière. Une pression appliquée plus élevée, ou une viscosité de la pâte et une longueur de filière plus faibles, entraînent un débit de pâte extrudée plus important ; l'inverse entraîne un débit plus faible.

Ainsi, ce modèle, avec la rhéologie de la suspension céramique qui l'a ouvert, permet à la fois au coulage en barbotine et à l'extrusion — les deux techniques qui composent la pièce crue à partir de cette rhéologie — de fournir cette même pièce crue à un autre modèle de cet ensemble, celui qui décrit le frittage de la céramique : la densification décrite par cet autre modèle commence précisément à partir de la pièce crue qu'il constitue et dont la qualité détermine la rhéologie avec laquelle il a été ouvert.

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