Caractérisations des poudres d’alumines

Deux alumines-α sont utilisées au cours de cette étude, la CT1200SG (Almatis) et la P172LSB (Altéo). Les propriétés indiquées par les fournisseurs sont reprises dans le Tableau III-2.

Tableau III-2 : Données fournisseurs des poudres d’alumine [229,230]

Alumine CT1200SG P172LSB d50 (µm) 1,3 0,4 Surface spécifique (m2.g-1) 3,1 8,0 Impuretés chimiques (m.%) Na2O Fe2O3 SiO2 CaO MgO <0,3 0,06 0,02 0,05 0,04 0,07 <0,2 0,05 0,02 0,03 0,02 0,05

La CT1200SG présente une taille d’agglomérats plus importante que la P172LSB, ce paramètre influencera fortement les aptitudes au frittage et à l’impression des deux poudres. La surface spécifique de la P172LSB est logiquement plus élevée que celle de la CT1200SG. Enfin, la CT1200SG est dopée avec une quantité plus importante de MgO que la P172LSB. L’oxyde de magnésium, MgO, est utilisé comme aide au frittage et comme inhibiteur de croissance des grains [231,232].

III.2.1.i. Morphologie et taille des particules

La morphologie des particules d‘alumines est observée au MEB, tandis que leur taille est analysée par granulométrie laser.

Morphologie des grains

La Figure III-2 présente les micrographies obtenues pour les poudres d’alumine commerciales. Les poudres sont agglomérées, les grains présentent une morphologie facettée. Cette morphologie est en accord avec la technique de préparation des poudres faisant appel à un super-broyage [229,230]. Les poudres d’alumine présentent également une répartition en termes de taille peu homogène.

Figure III-2 : Micrographies MEB des poudres d’alumine CT1200 SG et P172LSB

Des particules fines et grossières sont visibles. Plusieurs répartitions granulométriques sont observables pour la CT1200SG. Des tailles de grains différentes sont également visibles pour la P172LSB.

Taille des particules par granulométrie laser

La Figure III-3 présente la répartition granulométrique des poudres d’alumine. L’analyse par granulométrie laser confirme les observations par MEB, puisque plusieurs populations de taille sont présentes. Les d50 mesurés sont de 1,3 et 0,5 µm pour la CT1200SG et la P172LSB, respectivement. Enfin, les d50 obtenus sont en accord avec les d50 indiqués par les fournisseurs.

Figure III-3 : Diagrammes de répartition granulométrique des alumines CT1200SG et P172LSB. (a) En volume et (b) en nombre

Il faut cependant rester critique à l’égard de ces mesures, les tailles mesurées sont en effets celles des agglomérats et non des grains. Les diamètres équivalents obtenus doivent être confrontés aux autres méthodes de caractérisation. Les agglomérats dans la P172LSB visibles sur la Figure III-2 se retrouvent dans les résultats granulométriques en densité de volume. Cependant, compte-tenu des résultats en densité de nombre, ces agglomérats semblent marginaux.

III.2.1.ii. Surface spécifique

Les analyses de surfaces spécifiques par la méthode BET réalisées sur les poudres d’alumine sont présentées dans le Tableau III-3.

Tableau III-3 : Surfaces spécifiques des alumines CT1200SG et P172LSB

Alumine CT1200SG P172LSB

Surface spécifique (m2·g-1) 2,8 ± 0,1 7,8 ± 0,1

Surface spécifique indiquée par le fournisseur(m2·g-1) 3,1 8,0

Diamètre apparent calculé des grains (µm) 0,54 0,19

Les résultats des mesures réalisées sont voisins des valeurs proposées par les fournisseurs. L’alumine P172LSB présentant une surface spécifique plus importante que la

CT1200SG, elle présentera une réactivité au frittage plus importante. Les diamètres apparents calculés confortent la taille de grain mesurée par la méthode granulométrique. Les ordres de grandeurs sont respectés.

III.2.1.iii. Structure cristalline

Les diffractogrammes par rayons X des alumines commerciales sont présentés sur la Figure III-4. L’identification des phases met en évidence l’absence de phase secondaire. Les poudres utilisées ne sont donc pas polluées et uniquement constituées d’alumine-α.

Figure III-4 : Diffractogrammes des poudres d’alumine CT1200SG et P172LSB

L’identification des pics de diffractions a été réalisée en utilisant une fiche PDF15 de l’alumine alpha.

III.2.1.iv. Densité des poudres

Les masses volumiques des alumines, mesurées par affinement de Rietveld, sont présentées dans le Tableau III-4. Les masses volumiques sont identiques pour les deux alumines.

Tableau III-4 : Masses volumiques des alumines CT1200SG et P172LSB

Alumine CT1200SG P172LSB

Densité 3,981 3,981

Ces valeurs de densité serviront de densité théorique lors des calculs de densité relative par la suite. Les diffractogrammes obtenus sont présentés sur la Figure III-5.

Figure III-5 : Diffractogrammes expérimentaux et simulés par affinement de Rietveld. (a) CT1200SG et (b) P172LSB

III.2.1.v. Retrait lors du frittage

Les analyses dilatométriques des alumines sont présentées dans la Figure III-6. La température maximale de fonctionnement du dilatomètre, à savoir 1550 °C, ne permet pas une densification complète des deux alumines, ce qui explique la différence importante de retrait relatif entre les deux alumines. Cependant, l’analyse permet de déterminer les températures de début de frittage.

Figure III-6 : Analyses dilatométriques des alumines CT1200SG et P172LSB. (a) retraits relatifs lors du frittage et (b) dérivées premières du retrait relatif par rapport à la

température, pour une montée en température de 5 °C·min-1

Le phénomène de frittage débute vers 1000 °C pour l’alumine P172LSB, tandis que pour la CT1200SG, un décalage d’environ 200 °C vers les plus hautes températures est observé. L’alumine P172LSB présente une vitesse de densification la plus élevée centrée sur 1450 °C. Les densités relatives des alumines après dilatométrie ainsi que leurs variations linéaires sont présentées dans le Tableau III-5.

Tableau III-5 : Variations linéaires et masses volumiques des alumines CT1200SG et P172LSB après dilatométrie

Alumine CT1200SG P172LSB

Variation linéaire observée en dilatométrie (%) 7,8 15,3

Densité relative après dilatométrie (%) 76 ± 1 94 ± 1

Les variations observées en dilatométrie et mesurées au pied à coulisse coïncident. Les densités relatives des alumines confirment l’absence de densification complète. Le phénomène est d’autant plus marqué pour l’alumine la plus grossière. Ces observations sont en accord avec la réactivité des poudres vue précédemment (§III.2.1.ii)

III.2.1.vi. Comportements diélectriques à température ambiante

Les propriétés diélectriques mesurées à température ambiante à une fréquence de 2,45 GHz sont présentées dans le Tableau III-6. Les alumines présentent une tangente de pertes très faible, insuffisant pour permettre leur mise en chauffe directe par interaction MO / matière.

Tableau III-6 : Propriétés diélectriques des alumines CT1200SG et P172LSB

Alumine CT1200SG P172LSB

Constante diélectrique 𝜺^′ 9,3 9,1

Facteur de perte 𝜺^′′ 0,001 0,001

𝒕𝒂𝒏(𝜹) 1,08·10-4 1,10·10-4

Ces valeurs de propriétés diélectriques sont en accord avec celles de la littérature [179,233–235]. Ces résultats expliquent la nécessité de travailler en chauffage hybride lors du frittage par MO des alumines.