Etude du traitement de poudres et influence des caractéristiques obtenues sur la transparence de céramiques du type spinelle

Study of powder processing and influence of the characteristics obtained on the transparency of spinel-type ceramics

• Auteur / Autrice : Robin Stocky
• Direction : Anne Leriche, Yannick Lorgouilloux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et matière condensée
• Date : Soutenance le 30/06/2020
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux céramiques et procédés associés (Maubeuge, Nord ; 1998-2021)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Smith
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Leriche, Yannick Lorgouilloux, Guillaume Bernard-Granger, Khashayar Saleh, Judith Böhmler, Sébastien Lemonnier, Marc Rubat de Mérac
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillaume Bernard-Granger, Khashayar Saleh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frittage (métallurgie)

Spinelles

Poudres céramiques

Mots clés libres

MgAl2O4

Spinelle

Céramique transparente

Pressage uniaxial

Frittage naturel sous vide

Pressage isostatique à chaud

Protection balistique

Métallurgie des poudres

Rhéologie des poudres

Renforts

Coulage

Mise en suspension

MgAl2O4

Spinel

Transparent ceramic

Uniaxial pressing

Pressureless sinteringunder vacuum

Hot isostatic pressing

Ballistic protection

Powder metallurgy

Powder rheology

Reinforcement

Slip-Casting

Suspension

Résumé

Ce travail d’élaboration de céramique transparente pour la protection balistique s’inscrit dansun contexte d’allégement de structure et d’amélioration des propriétés optiques et mécaniques.Le remplacement de la face avant en verre par une céramique polycristalline, telle que lespinelle MgAl2O4 permet d’optimiser considérablement les performances balistiques, touten diminuant la masse et le volume de la protection. Le principal objectif de ce travail a étél’obtention d’une céramique transparente type spinelle avec une microstructure à grains finspermettant d’obtenir de bonnes propriétés mécaniques et balistiques. Afin de contrôler lamicrostructure de la céramique, il est nécessaire d’adopter des conditions de frittage douces,c’est pourquoi l’utilisation d’une poudre très fine et réactive a été envisagée. Mais l’utilisationd’une telle poudre soulève souvent des problèmes de mise en forme et de frittage homogène,qui sont un frein à la transparence de la céramique. Cette étude s’est tout d’abord focaliséesur la poudre de spinelle en comparant quatre poudres de spinelle commerciales. Cette partiea permis de mettre en avant les particularités rhéologiques ou morphologiques nécessaires àla mise en forme des céramiques, influençant ainsi le frittage et donc la transparence finale,comme par exemple le réarrangement granulaire, la surface spécifique ou la perméabilité. Unefois la poudre de spinelle choisie, une étude de traitement a été menée sur cette dernièreen exploitant son agglomération afin d’obtenir une céramique transparente dans le visibleavec une microstructure fine. Le challenge a été d’optimiser sa mise en forme par différentstraitements et son frittage. Cette étude s’est soldée par l’obtention de céramique transparenteà fine microstructure (taille de grain de 4-5_m) et avec une transmission en ligne de 71%à 650nm, grâce à l’utilisation d’un spray dryer et d’un additif PEG. Une autre étude s’estconcentrée sur la possibilité de renforcer ce spinelle transparent par l’ajout de matériau dedifférentes natures (nanodiamant, alumine, zircone). L’objectif a été d’améliorer les propriétésmécaniques du spinelle, tout en gardant intactes ses propriétés optiques. L’ajout de phasesecondaire en tant que renfort soulève de nombreuses difficultés de par leurs tailles, l’indicede réfraction différent du spinelle et les éventuelles réactions qui peuvent se produire lors dufrittage. Une dernière étude a été menée sur la mise en forme de forme complexe, permettantainsi d’autres applications du spinelle en tant que protection. La voie classique par pressageuniaxial s’étant avéré peu concluante, une mise en forme par voie liquide s’est montrée êtreune solution envisageable. Elle a nécessité une étude complète de la mise en suspension duspinelle et son comportement lors de sa mise en forme. Chacune des études s’est appuyée surla morphologie de la poudre et son évolution lors de la mise en forme et le frittage, par lebiais d’études microstructurales et rhéologiques ainsi que l’évaluation des propriétés optiqueset mécaniques.

This work aims to elaborate the benefits of transparent ceramics in ballistic protection systemswhich are employed by the military in their vehicles. The main focus lies on improving bothoptical and mechanical properties as well as reducing the weight of the system as a whole.Substituting the standard multilayered front glass panel with a polycrystalline ceramic, suchas the spinel MgAl2O4 used in this work, considerably improves its ballistic performance, whilesimultaneously reducing its mass and volume. In order to achieve these improved properties,which most commonly result from a fine-grained microstructure, a very fine grained andreactive powder is used. However, the use of such powders raises additional difficulties inshaping and homogeneous sintering, all of which have a negative effect on the transparency ofthe ceramic. The first focus of this study is the selection of an appropriate powder, carried outby comparison of multiple commercially available powders. This following step highlightedthe rheological and morphological particularities of the examined powders, necessary for theshaping of ceramics, and influencing the sintering and thus the final transparency, such asgranular rearrangement, specific surface area or permeability. Once the spinel powder hadbeen chosen, a processing study was carried out on it, exploiting its agglomeration to obtain avisibility transparent ceramic with a fine microstructure. Since some nanopowders presentedwith difficulties in shaping, further optimization of different treatment methods (use of afreeze dryer, an oven or a spray dryer) in combination with appropriate sintering approacheswere explored. Ultimately, by combining a spray dryer and a PEG additive, the study resultedin the production of a transparent spinel ceramic with a fine microstructure (grain size of4-5 µm) and an in-line transmission of 71% at 650 nm. A parallel study on strengtheningthe transparent spinel by introducing various additives, such as nanodiamond, alumina, andzirconia was also carried out. The primary objective was to improve the mechanical propertiesof the spinel, while keeping its optical properties untouched. The addition of a secondaryphase as reinforcement raised many difficulties, mainly due to the size disparity, differentrefractive index of the spinel and potential unwanted reactions that can occur during sintering.Lastly, the final study focused on complex shaping of spinel ceramics for ballistic protection.As a prerequisite, a complete examination of the spinel’s suspension and its behaviour duringshaping had to be performed. The new findings validated liquid shaping as a viable solutionto achieve transparent 3D profiles, while the classic uniaxial pressing route did not yield anyconclusive results. Each of the studies was based on the morphology of the powder and itsevolution during shaping and sintering. The results were obtained through microstructuraland rheological studies as well as the evaluation of optical and mechanical properties.