Diffusion multicomposante et environnement structural dans le verre Na2O-CaO-Al2O3-SiO2 contenant du zirconium

Multicomponent diffusion and structural environment of Na2O-CaO-Al2O3-SiO2 glass containing zirconium

• Auteur / Autrice : Maxime Ficheux
• Direction : Laurent Cormier, Ekaterina Burov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 21/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Galoisy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Bardez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique de Ligny, Bernard Hehlen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion multiple (physique)

Spectroscopie Raman

Verre

Matériaux réfractaires

Zirconium

Mots clés libres

Diffusion multicomposante

Zirconium

Verre

Réfractaire

Absorption X

Spectroscopie Raman

Multicomponent diffusion

Zirconium

Glass

Refractory

X-ray Absorption

Raman spectroscopy

Résumé

Le zirconium est un élément largement répandu sur Terre et aujourd’hui intensivement utilisé sous forme d’oxyde (zircone) ou d’oxyde silicaté (zircon) majoritairement pour ses bonnes propriétés thermomécaniques. A ce titre, il entre notamment dans la composition de matériaux dits « réfractaires » qui sont des céramiques frittées ou électro fondues formant la structure des fours verriers. Le zirconium rencontre ainsi le verre de deux manières différentes: en se déplaçant à haute température depuis les parois du four verrier dans le verre ou en entrant directement dans la composition cible de certains verres nécessitant une forte résistance chimique. La compréhension de son intégration dans le réseau d’un verre silicaté est un premier axe de cette thèse qui est aussi d’intérêt en sciences de la Terre où l’étude de la dissolution de zircon dans les magmas pose les mêmes problématiques. Ces phénomènes de dissolution de réfractaires dans les verres industriels ou de zircon dans les verres géologique dépendent directement de la mobilité du zirconium depuis le cristal dans le verre. Cette mobilité qui peut prendre plusieurs formes (diffusion, convection) sera étudiée dans cette thèse sous l’angle de la diffusion chimique. De nombreuses études présentant déjà des coefficients de diffusions simples de zirconium dans le verre, nous avons souhaité compléter ces données en déterminant des matrices de coefficients de diffusion via la méthode de diffusion multicomposante qui prend en compte les interactions de chaque élément sur la mobilité de tous les autres. Une autre nouveauté est le couplage d’une étude structurale à cette détermination de mobilité.

Zirconium is widely spread element on Earth and actually intensively used either in its oxide form (zirconia) or in its silicate oxide form (zircon). The main interest of zirconium is to improve thermomechanical properties. This element enters in the composition of refractory materials that are sintered or electro fused ceramics used for glass furnace structure. Zirconium may also enter in glass composition through two different possibilities: at high temperature, it may move from the wall of the furnace to the glass as contaminant or it can enter in the initial glass composition, for which it can increase chemical corrosion by strengthening glass chemical durability. The understanding of its incorporation to the silicate glass structure is the first research axis of this thesis. This axis is also interesting for geosciences where zircon dissolution in geological glasses like magmas have similar issues. This dissolution phenomenon of zircon or refractory directly depends on zirconium mobility from the crystal towards the glass. This mobility may be led by several mechanisms like convection or diffusion. We focused our researches on chemical diffusion determination. Several studies have already determined diffusion coefficient of zirconium in glasses. The innovation of this thesis is the determination of mobility trough multicomponent approach, considering that each element impacts the mobility of all others. Additionally, a structural study of zirconium environment is coupled with the mobility determination.