Variation des paramètres d’intérêt au cours du traitement thermique

Les images MEBE enregistrées au cours du frittage des microbilles de ThO2 ont été exploitées,

en utilisant la procédure de traitement d’images détaillée dans le chapitre III. L’évolution des paramètres généralement utilisés pour la description de la première étape du frittage (taille du pont, des rayons des grains, distance entre les centres des grains et angles dièdres) a été déterminée pour les systèmes constitués de grains polycristallins et monocristallins. L’évolution générale de ces paramètres au cours d’un traitement thermique réalisé à 1250 °C est présentée à titre d’exemple dans la Figure 81.

L’évolution de la taille du pont est rapportée sur la Figure 81-a pour les deux systèmes étudiés et respectivement constitués par deux grains polycristallins (r ≈ 160 nm) et par deux grains monocristallins (r ≈ 130 nm). Une fois de plus, ces courbes ont permis de mettre en évidence la croissance progressive du pont formé entre les microsphères au cours du traitement thermique. Pour les grains monocristallins, le pont formé entre les microsphères croit rapidement durant les premières minutes de traitement thermique puis semble atteindre une valeur d’équilibre, autour de 60 nm après 12 min à 1250 °C, pour laquelle sa taille reste quasi constante. Pour les grains polycristallins, la croissance de taille du pont est plus rapide que pour les grains monocristallins et atteint environ 100 nm après 12 min à 1250 °C.

De plus, les allures des courbes obtenues dans les deux cas sont légèrement différentes (Figure 81-a). En effet, pour les grains monocristallins, les courbes obtenues à toutes les températures de frittage ont une allure non linéaire, caractérisée par l’atteinte d’une valeur d’équilibre après une certaine durée de traitement thermique. Cette évolution est en très bonne adéquation avec celle généralement décrite par les modèles de simulation numérique [11,40]. Dans le cas des grains polycristallins, l’évolution de la taille du pont est assez linéaire au cours du traitement thermique puis semble tendre vers une valeur constante. Cette évolution est à nouveau plus complexe que celle attendue et très différente de celle habituellement décrite lors de l’étude de cette étape du frittage, que ce soit de manière expérimentale [2,14] ou par modélisation [13].

Figure 81 : Evolution de différents paramètres d’intérêt durant le frittage des microsphères polycristallines (●) et monocristallines (●) de ThO2 à 1250 °C : (a) taille du pont, (b) angles dièdres,

(c) rayon des grains et (d) distance entre les centres des grains. Les points vides (○) sont ceux déterminés après formation d’un troisième grain entre les deux microsphères polycristallines.

En plus de la croissance du pont, l’évolution d’autres paramètres caractéristiques du frittage des microsphères de ThO2 a été déterminée. Par exemple, l’augmentation des valeurs des angles

formés par le contact entre les deux microsphères a été quantifiée (Figure 81-b). A l’inverse de la croissance du pont, l’évolution de l’angle dièdre est assez similaire pour les deux systèmes étudiés et atteint environ 110 ° après 10 min de traitement thermique à 1250 °C. De plus, les courbes obtenues ont clairement mis en évidence une évolution non linéaire de ce paramètre, caractérisée par l’augmentation rapide des valeurs des angles en début du traitement thermique puis la diminution progressive de sa vitesse de croissance. Ce comportement est donc en bonne adéquation avec ce qui est généralement décrit lors de l’étude de cette étape du frittage. De même, la variation des rayons des microsphères (r1 et r2) est assez similaire pour les grains

monocristallins et polycristallins. Comme dans le cas des angles dièdres, ce paramètre est faiblement dépendant, voire indépendant, de la cristallinité des grains frittés. Le taux de variation des rayons des grains (r/r0) est, en effet, comparable dans les deux cas et atteint environ

4 % après un traitement thermique d’environ 15 min à 1250 °C (Figure 81-c). Cette diminution de la taille des grains est plus faible que celle précédemment déterminée lors du frittage des

microsphères de CeO2, à savoir 10 %. La densification du système caractérisée par la

diminution de la distance entre les centres des microsphères (D) a également été mise en évidence (Figure 81-d) [41,42].

Toutefois, à l’inverse de la variation du rayon des grains, la diminution de la distance entre les centres des grains est légèrement plus prononcée pour les grains polycristallins que pour les grains monocristallins dans les mêmes conditions de frittage. En effet, après environ 20 min à 1250 °C, la diminution de la distance entre les centres des grains est d’environ 11% pour les systèmes polycristallins tandis qu’elle n’atteint que 5 % pour les systèmes monocristallins, pour des grains de tailles équivalentes. Cette différence peut indiquer que dans le cas de ThO2, la

densification des systèmes composés de grains polycristallins est sensiblement plus rapide que celle des systèmes composés de grains monocristallins. Une différence similaire a précédemment été mise en évidence lors de l’étude du frittage de compacts de ZrO2 composés

respectivement de grains polycristallins et monocristallin par Lange [15]. Au cours de cette étude, la densification du compact de ZrO2 composé de grains polycristallins a été observée

comme étant plus élevée que celui du compact composé de monocristaux pour une même durée de traitement thermique.

De plus, la différence de densification entre ces deux systèmes devient plus importante après la formation d’un troisième grain entre les microsphères polycristallines, formation qui marque la fin de la première étape du frittage. En effet, le début théorique de la deuxième étape du frittage (élimination de la porosité ouverte), considéré pour une valeur d’avancement de frittage (x/r) proche de 0,6, est caractérisé par la présence d’un troisième grain dans la région du pont formé entre les microsphères de départ (Figure 80) [3,4]. Au-dessus de cette valeur de x/r, le pont initialement formé entre les deux microsphères n’étant plus clairement identifiable, la première étape du frittage peut être considérée comme terminée. Par contre, dans le cas de CeO2,

l’atteinte de cette valeur de x/r n’est pas accompagnée d’une modification morphologique des systèmes étudiés. La formation d’un troisième grain n’étant pas observée, la première étape du frittage a été considérée pour des valeurs de x/r > 0,6.