Mise au point d’un composite à fibre oxyde et matrice d’aluminosilicate de baryum modifiée

Synthesis of a barium aluminosilicate (BaAl2Si2O8) composite reinforced by oxide fibers

• Auteur / Autrice : Romain Billard
• Direction : Yann Le Petitcorps, Alexandre Allemand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 15/12/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Francis Teyssandier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Piquero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Estournès, Philippe Belleville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Substitution (chimie)

Stabilité

Aluminosilicate de baryum

Composites à fibres d'oxydes

Spark plasma sintering (métallurgie)

Mots clés libres

BaAl2Si2O8

Hexacelsian

Spark Plasma Sintering

Substitution atomique

Composite

BaAl2Si2O8

Hexacelsian

Spark Plasma Sintering

Atomic substitution

Composite

Résumé

L’intérêt de ces travaux est de proposer un nouveau composite BaAl2Si2O8 (BAS) renforcé par des fibres d’alumine ayant des propriétés physiques similaires tout en étant plus réfractaire que les composites SiO2 / SiO2. La forme cristalline hexagonale du BAS est la forme stable à haute température. Cependant, elle est métastable en dessous de 1590 °C et il est donc nécessaire de la stabiliser pour éviter les transformations cristallines. La stabilisation de la forme hexagonale par substitution atomique, notamment par du rubidium à hauteur de 5 % atomique a été la solution retenue. Concernant le composite à matrice BAS, le choix de fibres d’alumine est motivée par la compatibilité physico-chimique BAS / alumine. Diverses voies d’élaboration de la matrice BAS et du composite BAS / alumine ont été explorées. La voie d’élaboration par « reactive spark plasma sintering » (R-SPS) apporte un gain important en termes de réduction du temps d’élaboration et de rendement. Ce gain de temps évite donc l’exposition du BAS aux hautes températures et le risque de transformation de la phase hexagonale en monoclinique. Cependant la mise en forme par SPS de matériaux oxydes, dont le BAS, est confrontée à l’existence de gradients thermiques importants au sein de l’échantillon. C’est pourquoi, la mise en oeuvre d’un moule chauffant est développée comme une alternative au SPS. Ce système, en cours d’évaluation, devrait permettre l’utilisation de cycles thermiques équivalents à ceux du SPS, tout en limitant fortement les gradients thermiques.

The main purpose of the present work is to propose a new BaAl2Si2O8 (BAS) composite reinforced with alumina fibers exhibiting similar physical properties but a higher refractoriness than SiO2 / SiO2 composites. The hexagonal crystal form of BAS is the stable one at high temperatures. However, it is metastable below 1590 °C and it is therefore necessary to stabilize it in order to prevent crystalline transformations. The stabilization of the hexagonal form by atomic substitution, including rubidium at 5 atomic % has been chosen. Regarding the matrix BAS composite, the alumina fibers selection has been justified by their low physical and chemical reactivity with this material. Several elaboration methods of the BAS matrix and of the BAS / alumina composite have been investigated. The development by "reactive spark plasma sintering" (R-SPS) brings an important benefit in terms of reduced elaboration time and yield. This saving time thus limits the BAS exposure to high temperatures and the risk of transformation into monoclinic. Nevertheless, the SPS shaping of oxide materials, including the BAS, is confronted with the presence of important thermal gradient within the sample. This is why shaping in a heating mold is currently in progress, as an alternative to the SPS. This system should allow the use the same thermal cycles as for SPS, but with lower thermal gradient.