METHODES D'ELABORATION DES MATERIAUX A GRADIENT DE PROPRIETES PROPRIETES

Il existe de nombreux procédés d'élaboration des matériaux à gradient de propriété FGM, les paragraphes suivants illustrent les principales méthodes d’élaboration des FGM utilisées dans l’industrie.

II.4.1. Coulage en bande (Tape Casting ou Doctor-Blade)

Le coulage en bande est devenu une technique largement utilisée pour la fabrication de feuilles métalliques ou céramiques.

Il s’agit d’une technique de mise en forme par voie liquide qui consiste à étaler une barbotine de poudres fines en suspension aqueuse ou non-aqueuse (la plupart des travaux commerciaux utilisent le procédé non-aqueux) sur une surface plane en couches minces et régulières [Ait atmane, 2011]. L’étalement de la bande est obtenu par le mouvement relatif d'un réservoir ou sabot de coulage. La suspension est ainsi laminée par son passage entre la lame du réservoir et le support (figureII.4), ce qui confère à la bande déposée une épaisseur uniforme sur toute sa longueur.

La hauteur du couteau du réservoir par rapport au support détermine l'épaisseur de la bande.

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Deux types de configuration existent pour les montages servant au coulage en bande :

- Le coulage continu : le support est mobile et le sabot est fixe. Ce type de configuration est généralement utilisé en fabrication industrielle ;

- Le coulage discontinu : le sabot se déplace sur le support fixe. Ce type de banc est approprié à l'étude des paramètres de coulage : vitesse de déplacement, hauteur du couteau, atmosphère de séchage.

Les produits obtenus sont des feuillets avec des épaisseurs contrôlées (25-1000 µm). Après un raffermissement de la pâte, les feuillets sont démoulés et ensuite découpés.

Figure II.4 : Principe de la méthode coulage en bande[Lostec, 1997]

Le procédé de coulage en bande est largement utilisé pour réaliser des matériaux composites laminaires suivant deux méthodes : soit par réalisation directe de bandes multicouches grâce à un système de lames multiples, c'est le cas des tri-couches élaborés par Mistler [Mistler, 1973] ; soit par empilage de couches élaborées séparément, dont la cohésion est ensuite assurée par une étape de thermocompression. [Boch, 1986]

II.4.2. Coulage séquentiel en barbotine (Slip Casting):

Le coulage en barbotine connu sous la dénomination anglaise (slip casting) consiste à couler une suspension dans un moule poreux qui va drainer le liquide grâce aux forces capillaires, laissant un tesson (couche de poudre compacte) sur la surface du moule. Après séchage, on obtient le corps en cru.

41 Le coulage se décompose alors en deux étapes essentielles: - Formation du tesson ou « prise » ;

- Consolidation du tesson ou « raffermissement ».

La filtration, c'est à dire la formation du tesson lors du coulage, peut être considéré comme un processus d'élimination d'une partie de l'eau de la barbotine; Cette eau migre à travers la couche de tesson déjà formée, sous l'effet:

-Du pouvoir de succion du plâtre (coulage classique); [Moya et al. 1992] -Ou d'une pression appliquée sur la barbotine (coulage sous pression).

Dans le cas de la fabrication de multicouches, après la formation du premier tesson, le dépôt de la deuxième couche s'effectue de manière telle que la barbotine ne pénètre pas dans le tesson formé. Ce procédé est successivement reproduit pour les autres couches.

II.4.3. Compaction sèche des Poudres

Dans cette méthode simple et bien établie un gradient est constitué par le dépôt des couches de poudre avec les compositions changeantes dans la matrice de compactage [Atarashiya K et al, 1993], [Leushake U et al, 1998]. Il s’agit de verser successivement dans un moule en acier les poudres, et à chaque fois qu’une poudre est versée, une faible compression est exercée. Ensuite la compaction de l’ensemble des couches sera effectuée. Ce procédé est suivi généralement par une pression isostatique et un délainage. La densification sera enfin l’étape finale. [Bishop et al, 1993]

II.4.4. Projection plasma

Un gaz soumis à une forte température (par exemple celle d'un arc électrique), se transforme en un état ionisé (plasma). Cette transformation est accompagnée d'un dégagement de chaleur important. Si une particule de céramique se trouve dans cet environnement, elle se fond totalement ou superficiellement, ce qui permet de la situer sur un substrat.

La projection plasma des particules des divers matériaux est devenue une méthode très utilisée pour fabriquer des FGM. L'équipement relativement simple, le rendement élevé du dépôt des particules sur des substrats à géométrie compliquée, les performances des surfaces

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en fonctionnement et la compatibilité des céramiques avec les métaux sont les avantages essentiels de cette technique [Steffens et al, 1990].

Figure II.5 : Projection par plasma pour former un matériau thermoélectrique gradué. (La composition est graduée dans la direction plane.

II.4.5. Frittage

Le frittage est un processus qui permet d'agglomérer des poudres et d'obtenir des produits compacts, denses et durs, sans atteindre nécessairement la température de fusion de l’un de ses constituants.

Cette consolidation s’effectue par la formation de liaisons entre les grains. Au point de vue physico-chimique, trois types de frittage sont distingués [TALIDI Abdellah, 2006] :

- La vitrification : Il y’a apparition d’une phase vitreuse largement suffisante pour

combler la porosité. Ce procédé est largement utilisé pour densifier les céramiques.

- Le frittage en phase liquide : La quantité du liquide qui apparait est juste suffisante

pour réarranger les particules, il consiste à former des ponts entre les grains et les amener ainsi au contact les uns aux autres. Ce type de frittage est polyphasé il se produit lorsque la température de traitement est supérieure au point de fusion du constituant le plus fusible.

- Le frittage en phase solide : Tous les constituants restent solides. La consolidation est

produite par soudure et le changement de forme des grains. Ce type de frittage peut être monophasé à un constituant ou polyphasé.

43 II.4.6. Implantation Ionique (Sputtering)

C'est une technique avancée pour la fabrication des FGM permettant de réaliser seulement des épaisseurs fines (<1µm) sur différents substrats (plastiques, céramiques, et métaux). Le traitement s'effectue par les faisceaux énergétiques d'ions ou via des gaz réactifs.

Les couches fabriquées présenteront un gradient de composition qui peut être très finement contrôlé. [Benien et al, 1990] et [Chigasaki et al, 1990]

II.4.7. Dépôt par Centrifugation

La technique consiste à verser une suspension colloïdale relativement diluée dans des flacons cylindriques, le tout est soumis à une centrifugation. La sédimentation s'opère et le liquide surnageant est retiré.

Ce procédé est répété pour obtenir des multicouches (figure II.6). [Lucchini et al 1995], [Hillman et al, 1996], [Sbaizero et al, 1996]

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II.5. DOMAINES D’APPLICATIONS DES MATERIAUX A GRADIENT DE