Frittage micro-ondes direct d’alumines α et γ

non dop´ees

1. Frittage de la poudre α

19

a. Densification

La figure D.3 pr´esente l’´evolution de la densit´e relative et de la vitesse de densification de l’alumine

α

19 en chauffage conventionnel et en micro-ondes direct. On observe que le frittage en chauffage conventionnel commence `a une temp´erature d’environ 1000°C alors qu’il d´ebute vers 900°C en FMD. Cet ´ecart d’une centaine de degr´es est conserv´e jusqu’`a environ 1300°C. Au del`a, il diminue et les courbes de densification se superposent vers 1450°C. La densit´e en FMD est donc plus ´elev´ee qu’en chauffage conventionnel jusqu’`a cette temp´erature. Entre le d´ebut du frittage et 1300°C, la vitesse de densification est sup´erieure en FMD bien que la densit´e soit augment´ee. Ensuite, elle diminue et la vitesse de densification en chauffage conventionnel devient sup´erieure. A partir de 1500°C, les vitesses sont similaires pour les deux proc´ed´es et le gain de densit´e pendant la fin du frittage est identique. Les densit´es finales des ´echantillons sont alors ´egales (les ´ecarts ´

etant de l’ordre de l’incertitude de 0,5%, estim´ee pour la m´ethode de mesure de densit´e par Archim`ede) et proches de la densit´e th´eorique.

Figure D.3 – Evolution de la densit´e relative et de la vitesse de densification en fonction de la temp´erature de la poudre

α

19en frittage conventionnel et FMD

Ces exp´eriences mettent en ´evidence un effet des micro-ondes sur le frittage de l’alumine

α

19. Cet effet est plus prononc´e au d´ebut du frittage et disparaˆıt en fin de densification. L’utilisation des micro-ondes pr´esente donc un effet b´en´efique en termes de densification principalement au stade initial et interm´ediaire du frittage de l’alumine.

La figure D.4 pr´esente le frittage micro-ondes de cette mˆeme poudre `a quatre vitesses de chauffe de 10, 25, 56 et 158°C/min. Les courbes de densification `a 10 et 25°C/min sont directement compar´ees `a celles obtenues en chauffage conventionnel. Pour les autres vitesses, l’´evolution de la densit´e en conventionnel a ´et´e calcul´ee `a partir de l’´equation de la Master Sintering Curve (MSC) (´equation B.21) avec les param`etres (a, b, c et lnΘ₀) obtenus pour

α

19(Cf. Chapitre B). Le palier en temp´erature de 5 min r´ealis´e en FMD est effectu´e `a 1550°C pour la vitesse de 25°C/min et `a 1510°C1pour les trois autres vitesses. La position initiale du piston p_i = 222 mm et la puissance incidente constante P_i = 500 W sont les mˆemes pour les quatre vitesses et le reste des essais r´ealis´es dans cette ´etude. Seuls les param`etres du PID ont ´et´e ajust´es pour am´eliorer la r´egulation en temp´erature aux grandes vitesses de chauffe.

Figure D.4 – Evolution de la variation de la densit´e relative en fonction de la temp´erature de la poudre

α

19pour diff´erentes vitesses de chauffe en frittage

conventionnel et FMD

Comme en conventionnel, un d´ecalage vers les hautes temp´eratures de la densification avec la vitesse de chauffe est constat´e. La densit´e atteinte avant le palier diminue alors de 96% pour 10°C/min `a 85% pour 158°C/min. La pr´esence du palier de 5 min permet 1. Cette diff´erence de temp´erature est due `a une valeur erron´ee de l’´emissivit´e ε utilis´ee `a haute temp´erature pour le pyrom`etre. Les temp´eratures r´eelles ont ´et´e r´ecalcul´ees en post-traitement. Cette erreur conduit a une variation d’environ 5% de la vitesse de chauffe, qui n’influence pas notre ´etude

cependant de rattraper le retard observ´e. Les densit´es finales en FMD sont similaires pour les vitesses de 10, 56 et 158°C/min (palier `a 1510°C) (Cf. tableau D.1). A 25°C/min la densit´e est augment´ee d’environ 1% grˆace au palier `a plus haute temp´erature (1550°C). La vitesse de 158°C/min permet de fritter l’alumine en approximativement 15 min `a la mˆeme densit´e que le cycle `a 10°C/min de plus de 2h30, donc en dix fois moins de temps. La possibilit´e de chauffer `a tr`es grande vitesse avec les micro-ondes pr´esente un avantage majeur par rapport au chauffage conventionnel limit´e en vitesse de chauffe.

La comparaison avec le frittage conventionnel montre que la temp´erature du d´ebut de frittage en FMD est inf´erieure pour toutes les vitesses de chauffe. Cet ´ecart de temp´erature diminue ensuite avec la densit´e mais plus rapidement quand la vitesse est plus ´elev´ee. Les courbes de densification `a 56 et 158°C/min en conventionnel et micro-ondes se croisent alors avant le palier. Cependant, la temp´erature `a laquelle les courbes se rencontrent se situe vers 1450°C pour les diff´erentes vitesses. Pour les grandes vitesses de chauffe, la densit´e atteinte avant le palier est plus faible en FMD et la densit´e finale est diminu´ee par rapport au conventionnel (Cf. tableau D.1). Rappelons que la MSC a ´et´e utilis´ee pour extrapoler le comportement en chauffage conventionnel `a ces vitesses. Or ce mod`ele n’est pas forc´ement juste pour des densit´es sup´erieures `a 90%, ce qui peut expliquer le faible ´

ecart de 1% de densit´e par rapport au FMD. A 25°C/min, nous avons vu que l’exp´erience permet d’obtenir des densit´es finales identiques. Pour ce cycle thermique l’utilisation du FMD ne permet pas d’obtenir une densit´e finale plus ´elev´ee qu’en conventionnel.

Tableau D.1 – Densit´e des ´echantillons de la poudre

α

19 apr`es un frittage conventionnel (exp´erimental et MSC∗) et micro-ondes direct `a diff´erentes

vitesses de chauffe, avec un palier de 5 min `a 1550°C

Conventionnel Micro-ondes

Vitesse (°C/min) 10 25 56 158 10 25 56 158

Type dilato dilato MSC MSC FMD FMD FMD FMD

T_palier (°C) 1550 1550 1510 1510 1510 1550 1510 1510

Densit´e relative (%) 99 98,8 98,3∗ 98,1∗ 97,5 98.5 97,2 97,1

La diff´erence de temp´erature ∆T = T(ρcv=ρ) - T(ρmo=ρ) (`a une densit´e relative ρ donn´ee) entre le frittage conventionnel et FMD, param`etre que nous utiliserons pour d´ecrire l’effet micro-ondes, a ´et´e trac´ee en fonction de la densit´e relative (figure D.5) pour chaque vitesse jusqu’au palier. Pour une vitesse donn´ee, ∆T diminue quand la densit´e relative augmente. ∆T diminue ´egalement quand la vitesse de chauffe augmente. On constate que cet ´ecart de temp´erature s’annule (et s’inverse) pour une valeur de densit´e d’environ 95% aux faibles vitesses de 10 et 25°C/min. Il s’annule `a plus basse densit´e aux grandes vitesses (80% `a

158°C/min). L’effet micro-ondes apparaˆıt donc d´ependant de la densit´e mais aussi de la vitesse de chauffe. Cela montre l’importance de r´ealiser la comparaison des essais de frit-tage micro-ondes et conventionnel `a la mˆeme vitesse de chauffe, ce qui n’est g´en´eralement pas fait dans la litt´erature (Cf. Chapitre A).

-20 0 20 40 60 80 100 120 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Δ T = T( ρCV = ρ) - T( ρMO = ρ) ( °C) Densité relative (%) 10°C/min 25°C/min 56°C/min 158°C/min

Figure D.5 – Ecart de temp´erature ∆T = T_(ρcv=ρ) - T_(ρmo=ρ) en fonction de la densit´e relative pour les quatre vitesses de chauffe de l’alumine

α

19avant le

palier en temp´erature

A 10°C/min, l’´ecart mesur´e au d´ebut du frittage est plus faible qu’`a 25°C/min. Cet effet n’est pas dˆu aux micro-ondes mais il est li´e au fait que la densit´e initiale de l’´echantillon fritt´e par FMD ´etait inf´erieure de 0,7% `a celle de l’´echantillon fritt´e en conventionnel. On ne d´etecte alors une diff´erence ∆T qu’apr`es une augmentation de densit´e de 0,7%, donc `a plus haute temp´erature que celle du d´ebut de frittage. Pour cette raison ∆T est sous-estim´e pour cette vitesse de chauffe.

L’´energie d’activation apparente E_a a ´et´e calcul´ee avec la m´ethode de Wang et Raj [47] en FMD `a partir des courbes de densification r´ealis´ees aux quatre vitesses de chauffe. La figure D.6 compare les diagrammes d’Arrh´enius obtenus pour le frittage conventionnel et FMD. Comme en conventionnel, les droites d’Arrh´enius en micro-ondes sont parall`eles entre elles pour les diff´erentes densit´es et correspondent `a quatre points bien align´es. Cela indique que sur toute la gamme de densit´e ´etudi´ee, la densification a la mˆeme ´energie d’activation apparente et que le(s) m´ecanisme(s) responsable(s) de la densification resterai(en)t donc le(s) mˆeme(s) dans cet intervalle de vitesse de chauffe. Les droites sont d´ecal´ees vers les basses temp´eratures en FMD par rapport au conventionnel, en accord avec les courbes de densification.

4 5 6 7 8 9 10 11 12 5,4 5,6 5,8 6 6,2 6,4 6,6 6,8 7 7,2 7,4 FMD Conventionnel 0,65 0,85 ^{0,80 0,75} 0,70 0,60 0,55 1,6°C/min 4°C/min 10°C/min 25°C/min 56°C/min 158°C/min 0,65 0,85 ^{0,80 0,75} 0,70 0,60 0,55 0,90 0,90 Ln ( T

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