Cette section discute l’influence de la nature des phosphates sur les propriétés des céramiques élaborées dans des conditions équivalentes.
La figure 5.7.1 présente les résultats ATG obtenus entre 30 et 1100°C avec les matériaux MC, MC/16,7TCP et MC/16,7MBK après l’étape de séchage. On observe une perte de masse totale moins importante en présence du TCP expliquée par sa faible teneur en impuretés carbonatées et en eau de surface.
La réduction de la teneur d’argile entraine une déshydratation moins importante jusqu’à 200°C puis la libération d’eau liée et d’eau de structure apatitique intervient jusqu’à environ 450°C. Jusqu’à cette température, la nature des phosphates n’a pas d’influence sur le comportement. L’influence de la nature est marquée de tout évidence entre 650 et 850°C. On a sur cette tranche, une perte de masse de masse de -3,94% pour MC/16,7TCP, -4,53% pour MC/16,7MBK et -4,43% pour MC. Malgré la réduction de la teneur du mélange argileux-sable, la céramique MC/16,7MBK a une perte de masse comparable à MC. La présence d’impuretés dans le MBK comme le carbonate de calcium et de la dolomite explique ce comportement. Le MBK peut être prétraité vers 800°C pour la décarbonatation avant la mise en forme. Cela permet d’éliminer les impuretés. L’utilisation de ces phosphates devrait permettre d’éviter les dégagement gazeux qui peuvent nuire à
la structure.
Figure 5.7.1 – ATG des compositions MC, MC/16,7TCP et MC/16,7MBK
La figure 5.7.2 montre l’influence de la nature des phosphates sur les propriétés ther- miques et mécaniques pour une cuisson à 1100°C. Quelle que soit la teneur en phosphate, l’utilisation de TCP conduit à de meilleurs propriétés mécaniques et thermiques que celles du MBK. Cela peut être également dû à la taille plus fine des particules de TCP que celle des particules de MBK. Une analyse de la microstructure a montré une baisse du taux de porosité avec le TCP contrairement au MBK. Par ailleurs, la distribution de la taille des pores montre une modification du réseau poreux selon la nature des phosphates étudiés. Ainsi, les particules fines de TCP distribuées d’une manière homogène dans la structure favorise la formation de pores homogènes de taille entre 0,1 et 1 µm contrairement au MBK qui augmente la taille des pores avec des décohésions avec la matrice argile/sable. Notons toutefois que le TCP a un coût bien plus élevé que le MBK. Le choix de la source de phosphate devrait tenir compte de tous les critères scientifiques, techniques et économiques.
Figure 5.7.2 – Contrainte de rupture (a) et conductivité thermique (b) des céramiques MC/TCP et MC/MBK après une cuisson à 1100°C
5.8 Conclusions
Dans ce chapitre, l’étude de la relation entre la composition, la microstructure et les pro- priétés physico-chimiques, thermiques, mécaniques et thermomécaniques des céramiques obtenues à partir de mélanges argileux-sable/phosphates a été effectuée.
Les conclusions principales sont :
— La mise en forme par extrusion est adaptée pour la fabrication de céramiques avec une teneur en phosphate pouvant atteindre 40% en masse.
— Pour un même cycle de cuisson, les céramiques MC/TCP et MC/MBK ont des pertes de masse moins élevées et des retraits volumiques plus importants par rapport à MC. — Pour toutes les compositions, l’étude de l’influence de la température de cuisson a montré que, plus la température est élevée, plus la céramique est rigide avec une baisse du taux de porosité et une augmentation de la masse volumique. En présence des phosphates, il est préférable d’atteindre une température de 1100°C.
— Les analyses DRX ont montré qu’en présence du TCP, et à partir de 1000°C, une interaction entre le calcium, le fer et le phosphore existe pour former une nouvelle phase cristalline apatitique. Cela n’est pas le cas pour le MBK.
— L’influence de la teneur des phosphates dans les céramiques a été étudiée pour des pourcentages en masse allant de 0 à 16,7%. Cette étude a montré une amélioration des propriétés mécaniques et thermiques par l’ajout des particules fines de TCP contrairement au phosphate naturel (MBK) qui tend à baisser les performances des céramiques en particulier à haute teneur en phosphate. La teneur adéquate de phosphate est de 5% en masse. Pour cette teneur, la conductivité thermique de la céramique contenant TCP est de 0,97 W/(m.K) avec une résistance mécanique de 18,4 MPa et celle contenant MBK est de 1,02 W/(m.K) et 17,5 MPa (cuisson à 1100°C). Ces valeurs sont favorables pour un matériau monolithique pour le stockage thermique.
— La granulométrie des phosphates impacte la microstructure et les performances des céramiques. Une faible granulométrie des phosphates (<100 µm) est préférable. Plus les particules sont fines mieux elles sont distribuées dans la structure et meilleures sont les propriétés.
— L’ajout simultané de TCP et MBK au mélange argileux-sable n’a pas d’effet syner- gique sur les propriétés thermiques et mécaniques.
— Le MBK peut jouer le rôle dégraissant du sable dans les mélanges argileux-sable/phosphates. Pour une utilisation dans le stockage thermique, l’évaluation des propriétés thermophy-
siques, thermomécaniques et des tests de stabilité thermique après l’étape de cuisson sont indispensables. Cela fait l’objet du chapitre suivant.
Céramiques à base du mélange
argileux-sable/phosphates pour le
stockage thermique
6.1 Introduction
F
ace à la dynamique favorable au développement du solaire à concentration et à la récupération des chaleurs fatales à haute température, il est urgent de trouver de nouveaux matériaux de stockage. Parmi les critères recommandés par l’AIE, les matériaux solides doivent avoir une large gamme de température de fonctionnement et une mise en forme aisée. Ils doivent pouvoir fonctionner à des températures modérées et hautes avec une bonne stabilité thermique.Le chapitre 5 a montré que les céramiques à base du mélange argileux-sable/phosphates peuvent être produite en quantité industrielle par la méthode d’extrusion. Aussi, les phos- phates dans les céramiques d’argile-sable améliorent les propriétés physiques, thermiques et mécaniques lorsque les mesures sont effectuées à température ambiante. Pourtant, ces propriétés évoluent généralement avec la température.
Dans ce chapitre, nous étudions les propriétés thermophysiques, thermomécaniques des céramiques à base de matière argileuse-sable/phosphates. Des tests de stabilité thermique seront également effectués ainsi qu’une comparaison avec d’autres matériaux de stockage thermique