Étude de la corrélation entre les propriétés thermophysiques et l'évolution structurelle d'oxydes fondus par lévitation aérodynamique

Study of the correlation between thermophysical properties and structural evolution of molten oxides by aerodynamic levitation

• Auteur / Autrice : Zheng Zhang
• Direction : Emmanuel de Bilbao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 08/02/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Gaillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Le Masson, Louis Hennet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexander Pisch, Pascal Piluso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Effets des hautes températures

Matériaux -- Propriétés thermiques

Incertitude de mesure

Oxydes

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Oxydes fondus

Oscillation de gouttelettes

Lévitation aérodynamique

Evolution structurelle

Oxide melts

Droplet oscillation

Aerodynamic levitation

Structural evolution

Résumé

Les systèmes fondus CaO-Al2O3 (CA) et CaO-Al2O3-SiO2 (CAS) et leurs propriétés thermophysiques ont une large application dans les industries à haute température, en particulier dans les procédés métallurgiques et la corrosion des réfractaires par les laitiers. Peu d'études ont été rapportées sur leurs propriétés thermophysiques (densité, tension superficielle et viscosité) depuis les points de fusion jusqu'aux ultra-hautes températures et sur la corrélation entre les propriétés thermophysiques et l'évolution structurelle, en raison de la difficulté de mesurer ces propriétés à haute température. Dans cette thèse, des mesures systématiques in-situ de la densité, de la tension superficielle et de la viscosité des systèmes fondus CA et CAS ont été réalisées par lévitation aérodynamique avec la méthode d'oscillation des gouttelettes sur une large gamme de température. Le post-traitement a particulière été optimisé pour améliorer considérablement la précision des résultats et les incertitudes sur la densité, la tension superficielle et la viscosité, ont été évaluées. En même temps, des simulations de dynamique moléculaire, validées par la comparaison avec des résultats de caractérisation précédemment rapportés (diffraction des neutrons, RMN), ont permis de calculer la distribution de la longueur/angle des liaisons, les espèces d'oxygène, le degré de compensation de charge, la connectivité du réseau (espèces d'amas tétraédriques) et les liaisons d'oxygène non satisfaites, explorant ainsi l'évolution structurelle des systèmes CA et CAS fondus à différentes températures et compositions. Enfin, les corrélations théoriques entre la densité, la tension superficielle, la viscosité et l'évolution structurelle sont révélées sur la base de l'analyse des systèmes CA et CAS.

The molten CaO-Al2O3 (CA) system, the molten CaO-Al2O3-SiO2 (CAS) system, and their thermophysical properties have a wide application in high-temperature industries, particularly in metallurgical processes and slag corrosion of refractory materials. Due to the difficulty to measure these properties at high temperature few studies have been reported on their thermophysical properties (density, surface tension, and viscosity) from melting points to ultra-high temperatures and the correlation between thermophysical properties and structural evolution.In this thesis, systematic in-situ measurements of density, surface tension, and viscosity of the molten CA and CAS systems were performed by aerodynamic levitation with the droplet oscillation method over a wide temperature range. In the measurement, a new post-processing of data is present, including the determination of the resonant frequency of the harmonic oscillation and calculations of uncertainties on density, surface tension, and viscosity, which greatly improve the accuracy of measurement. At the same time, molecular dynamic simulations validated by comparing with previously reported characterization results (neutron diffraction, NMR) allowed to calculate bond length/angle distribution, oxygen species, the degree of charge compensation, network connectivity (tetrahedral cluster species), and unsatisfied oxygen bonds, exploring the structural evolution of molten CA and CAS systems at different temperatures and compositions. Finally, the theoretical correlations between density, surface tension, viscosity and structural evolution were revealed based on the analysis of CA and CAS systems.