Détermination des températures de liquidus des cristaux dans les systèmes étudiés

Criblage de la température de liquidus en système ouvert

Pour le verre S, des études préliminaires de Delattre (2014) ont criblé la Tliq des apatites dans

la gamme 900°C – 925°C. Cependant, pour les deux autres verres étudiés (verres C et Nd), il n’existe aucune donnée préliminaire permettant de situer à ± 25°C la Tliq des apatites (et

powellite pour le verre C). Or, les expériences de recherche de Tliq par l’une ou l’autre des

méthodes explicitées auparavant nécessitent l’utilisation de capsule en platine. Afin de réduire le nombre d’expériences et la quantité de platine utilisé, un criblage initial en système ouvert est effectué pour ces deux verres. Ceci permet de connaître les températures de liquidus des cristaux à ± 25°C.

Ces expériences sont réalisées à l’aide de creusets en Pt-Au d’une contenance de 1 mL dans lesquels 1 gramme de poudre de verre est introduit. Les creusets sont introduits dans le four à chaud pour une durée de traitement thermique d’une heure puis trempés à l’eau. La présence et/ou l’absence de cristaux est vérifiée au microscope optique en lumière transmise. Pour le verre C, étant donné que deux phases cristallines sont présentes, des sections polies sont réalisées en parallèle. La durée de ces expériences a été choisie volontairement très courte (1 heure) afin de limiter la volatilité. Cependant, selon les systèmes, il est possible qu’en 1h de traitement thermique le système n’ait pas atteint l’équilibre. C’est pour cette raison que pour ce criblage, nous n’avons pas cherché à obtenir les Tliq avec une précision inférieure à 25°C.

Le principe de ce criblage repose sur la méthode dichotomique détaillée ci-dessous (Figure 42). Le premier niveau de cette dichotomie (noté TT1) consiste à réduire la gamme de Tliq à

± 100°C. Le second niveau (TT2) va réduire la gamme à ± 50°C tandis que le dernier niveau

va permettre d’obtenir Tliq à ± 25°C. Il est possible de descendre à un niveau encore plus bas

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Figure 42 : Illustration des différents niveaux de la dichotomie mise en place afin de cribler à ± 25°C

Tliq des cristaux dans nos verres.

A l’aide de cette méthode, la Tliq de l’apatite dans le verre Nd est comprise dans la gamme

[1175°C – 1200°C] et dans le verre C, les Tliq de l’apatite et de la powellite se situent toutes

les deux dans la gamme [875°C – 900°C].

Application de la méthode dite de la Température Uniforme (UT)

La méthode UT est appliquée à chacun des trois verres étudiés en système fermé pour 24h de traitement thermique. Si possible, les capsules dans ces expériences sont soudées, sinon elles sont repliées deux fois à chaque extrémité. La présence ou non de cristaux est vérifiée sur différents morceaux de verre d’une même expérience par microscopie optique en lumière transmise. Si besoin, des sections polies sont préparées afin d’observer l’échantillon au MEB comme cela est fait pour le verre C du fait de la présence des deux phases cristallines non discriminables au microscope optique.

La calibration du four utilisé pour ces expériences permet une incertitude relative < 5°C. De ce fait, les traitements thermiques ont été réalisés tous les 5°C en commençant par la température la plus basse de la gamme obtenue avec le criblage.

i. Tliq de l’apatite dans le verre S avec la méthode UT

Le traitement thermique à 900°C montre la présence de quelques cristaux dans ce verre (Figure 43). Cependant, dès 905°C, plus aucun cristal n’est observé. Ainsi, la température de liquidus de l’apatite dans le verre S est 905°C ± 5°C.

TT0= 900°C – 1h TT1= 800°C – 1h TT1= 1000°C – 1h TT1= 700°C – 1h TT2= 850°C – 1h TT3= 825°C – 1h TT3= 875°C – 1h 𝑇𝑙𝑖𝑞 850 𝐶⁡ − 875 𝐶 𝑇𝑙𝑖𝑞 875 𝐶⁡ − 900 𝐶 si cristaux sinon sinon sinon sinon si cristaux si cristaux si cristaux

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Figure 43 : Cristaux d’apatite rencontrés dans le verre S traité thermiquement à 900°C pendant 24h. Photographies prises au microscope optique en lumière transmise.

ii. Tliq de l’apatite dans le verre Nd avec la méthode UT

Le traitement thermique à 1175°C révèle la présence de nombreux cristaux d’apatite dans ce verre (Figure 44) qui ne se retrouvent pas après le traitement thermique à 1180°C (Figure 45). Ainsi, la température de liquidus de l’apatite dans le verre Nd est 1180°C ± 5°C.

Figure 44 : Cristaux d’apatite visibles au microscope optique en lumière transmise dans le verre Nd traité thermiquement à 1175°C pendant 24h.

Figure 45 : Verre Nd homogène après un traitement thermique à 1180°C pendant 24h. Photographie prise au microscope optique en lumière transmise.

40µm

_40µm

20µm 0,5mm

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iii. Tliq de l’apatite et de la powellite dans le verre C avec la méthode UT

Dans ce verre, la présence de cristaux est vérifiée par MEB sur des sections polies pour des raisons explicitées ci-avant. Après traitement thermique à 875°C, l’observation au MEB et les analyses EDS révèlent la présence d’une unique phase cristalline enrichie en Ca et Mo : la powellite (Figure 46). Cette phase cristalline n’est plus observée à partir de 890°C. Ainsi, la température de liquidus de la powellite dans le verre C est 890°C ± 5°C.

Figure 46 : Spectre qualitatif EDS et image MEB en électrons rétrodiffusés de l’échantillon traité thermiquement à 875°C pendant 24h, les cristaux visibles présentent un enrichissement en Ca et Mo,

caractéristique de la powellite.

Concernant la phase apatite, du fait de son absence à 875°C, des traitements thermiques sont effectués à plus basse température. Ainsi, elle n’est observée qu’à partir de 860°C (Figure 47). Par conséquent, la température de liquidus de l’apatite dans le verre C est 865°C ± 5°C.

Figure 47 : Image MEB en électrons rétrodiffusés du verre C traité thermiquement à 860°C pendant 24h. La phase la plus claire (entouré en rouge) au centre correspond à la phase apatite.

Application de la méthode dite de l’extrapolation de la fraction cristalline (CF)

La méthode dite de l’extrapolation de la fraction cristalline (CF) est appliquée aux verres S et Nd. Contrairement à l’étude de Riley et al. (2011), différentes durées de traitement thermique

78 sont testées pour chaque verre. Afin de quantifier la fraction cristalline, des traitements d’images MEB sont réalisées selon la méthodologie développée pour cette thèse et décrite dans la partie III.2 du chapitre 3.

i. Application de la méthode CF au verre S-Cr

Les expériences sont effectuées à 870°C, 880°C, 885°C et 890°C pour des durées de 5min, 30min et 1h. Pour la durée 5min, l’équilibre chimique n’est pas attendu mais cette durée permettra une comparaison avec les résultats obtenus avec les autres durées expérimentales. Les résultats obtenus sont présentés sur la Figure 48. Comme attendu, la fraction surfacique cristalline décroît avec l’augmentation de la température, quelle que soit la durée du traitement thermique. Notons également que, pour une température fixée, la fraction cristalline surfacique diminue au cours du temps, indiquant que le système n’a pas atteint l’équilibre.

La meilleure interpolation des données expérimentales pour chaque durée de traitement thermique est une droite. Ainsi, bien que pour 30 min, l’ajustement soit moins bon (R² = 0,83) que pour 1 h (R² = 0,95), les températures de liquidus calculées sont les mêmes à ± 8°C : 898°C pour 30 min et 890°C pour 1 h. Ces valeurs sont en accord avec la valeur obtenue par la méthode UT à ± 7°C à 15°C. Pour les traitements thermiques de 5min, la valeur calculée pour Tliq, 944°C, diffère des valeurs obtenues pour les autres durées à ± 46°C à 54°C. Cette

incertitude est bien plus grande que l’incertitude annoncée par cette méthode. De plus, cette valeur n’est pas en accord avec la valeur obtenue avec la méthode UT à ± 39°C. Cette durée de traitement thermique est donc trop courte pour permettre une bonne estimation de Tliq.

Ainsi, la méthode CF sur des durées de 30min et 1 h estime bien la Tliq des apatites dans ce

verre avec une précision de ± 7°C à 15°C par rapport à la méthode UT, en accord avec les imprécisions estimées par Riley et al. (2011).

Figure 48 : Evolution de la fraction surfacique cristalline en fonction de la température du traitement thermique pour des durées de 5min, 30 min et 1 h. Les points expérimentaux sont interpolés par des

droites dont les R² sont respectivement pour chaque durée de 0,798, 0,825 et 0,953.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 850 870 890 910 930 950 Fr act ion cr is ta lli n e (% su rf .) Température (°C) 5min 30min 1h y =-0.024x+21.55 Tliq= 898°C y =-0.025x+22.518 Tliq= 890°C y =-0.019x+18.12 Tliq= 944°C

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ii. Application de la méthode CF au verre simple riche en Nd

Les expériences sont effectuées à 1170°C, 1175°C et 1178°C pour trois durées différentes : 30 min, 1 h et 2 h. Les fractions cristallines surfaciques obtenues pour chaque expérience sont représentées en fonction du temps sur la Figure 49 ci-dessous.

Il apparaît tout d’abord que pour chaque durée étudiée, les fractions cristallines diminuent avec l’augmentation de la température. D’autre part, les points expérimentaux sont très bien interpolés par des droites pour chaque durée étudiée (R² compris entre 0,956 et 0,999). Les températures de liquidus déduites de ces courbes sont les mêmes aux incertitudes près, c’est- à-dire de l’ordre de 1178°C – 1179°C. De plus, ces valeurs déduites des interpolations sont également très proches et même identiques à la valeur de Tliq estimée par la méthode UT. Ceci

indique que, quelle que soit la méthode utilisée, les valeurs de Tliq estimées sont les mêmes.

Figure 49 : Evolution de la fraction surfacique cristalline en fonction de la température du traitement thermique pour des durées de 30 min, 1 h et 2 h. Les points expérimentaux ont été interpolés par des

droites dont les R² sont respectivement pour chaque durée de 0,956, 0,989 et 0,999.

IV.3. Conclusions sur la détermination des températures de liquidus des