Influence d'un gradient thermique sur le frittage d'alumines : approche expérimentale, modélisation et simulation numérique

Influence of a thermal gradient on alumina sintering : experimental approach, modelling and numerical simulation

• Auteur / Autrice : Sébastien Saunier
• Direction : Patrice Goeuriot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Alumine

Frittage (métallurgie)

Température atmosphérique

Résumé

Avec le développement des nouveaux procédés de frittage, les cycles thermiques sont de plus en plus rapides. De tels cycles thermiques entraînent le développement de gradients thermiques au sein du matériau. Se pose alors la question des conséquences de ces gradients sur la frittabilité des matériaux. Dans ce cadre, cette étude a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension du rôle des gradients de température au cours du frittage de l'alumine. Pour cela, un four a été mis au point. Grâce à ce four, les effets d'un gradient thermique ont pu être étudiés indépendamment d'une vitesse de chauffe rapide. Des comparaisons ont été faites entre frittage conventionnel et frittage sous gradient thermique (pour une même vitesse de chauffe et une même période isotherme). Les résultats expérimentaux ont montré qu'un gradient thermique appliqué dans le stade initial du frittage conduit à un retard de chute de surface spécifique et au final à un accroissement de la densification. De plus, il a été montré qu'un gradient thermique appliqué au début du frittage peut modifier la mobilité des impuretés. Si le gradient thermique est appliqué dans les stades intermédiaire et final du frittage, il conduit à d'importants changements dans les caractéristiques du matériau final : une augmentation de la densification et une réduction de taille moyenne des grains s'opèrent simultanément. Ces résultats ont été corrélés au développement de contraintes dans le matériau. A partir de ces considérations et des caractéristiques des poudres étudiées, un modèle de frittage a été développé (type bingham). Les simulations effectuées à partir de ce modèle montrent, contrairement au modèle classiquement utilisé pour décrire le frittage (modèle newtonien), une bonne adéquation avec les résultats expérimentaux.

With the development of the new sintering processes, thermal cycles become more and more shorter. Such thermal cycles lead to thermal gradients development into the sample. Then, a question can be asked : What are the consequences of these gradients on material sinterability. Within this framework, this study aims to bring a better understanding of the temperature gradient effects on alumina sintering. For that, a furnace was developed. Thanks to this furnace, the effects of a thermal gradient have been investigated independently of a fast heating rate. Comparisons were performed between sintering with and without thermal gradient (for the same heating rate and same annealing period). Experimental results showed that a thermal gradient applied in the initial stage of sintering conducts to a delay of the specific surface area drop and finally to an increase of densification. Moreover, it was shown that a thermal gradient applied at the beginning of sintering can modify the impurities' mobility. If the gradient is applied during the intermediary and final stage of sintering, it leads to important changes in the characteristics of the final material : an increase of densification and a reduction of the average particle size occur simultaneously. These results were correlated with the development of internal stresses in the material. From these considerations and characteristics of the studied powders, a model of sintering was developed using bingham-like constitutive equations. The simulations carried out starting from this model showed, contrary to the model classically used to describe sintering (newtonian model), a good adequacy with the experimental results.