Vitrocéramique

Pour créer une vitrocéramique, il faut cristalliser une partie du verre et que le reste du verre reste à l’état amorphe. Pour cela, il faut faire subir un traitement thermique au verre. Pour la synthèse de nos vitrocéramiques, les deux verres sont partiellement dévitrifiés avec le même cycle de traitement thermique (Figure III-4) et identique à celui utilisé par le Prof. Cheng (2007). Il a

analysé par analyse thermique différentielle un point endothermique à 718°C attribué à la transition vitreuse, suivi par deux points exothermiques typiques de la cristallisation à 940°C et 1065°C. La phase de dévitrification commence par un lent échauffement de 10°C par minute jusqu’à un palier à 1050°C de 2 heures et ensuite la température descend lentement jusqu’à la température ambiante. Ce cycle de dévitrification conduit à la formation d’une vitrocéramique.

Figure III-4 : Profil thermique de dévitrification de GCFBS1 et GCFBS2

La perte massique pendant le traitement thermique est de 0,58 poids% pour GCFBS1 et de 1,25 poids% pour GCFBS2, ce qui est négligeable.

Les échantillons après la synthèse possèdent une teinte marron clair (Figure III-5) identique à la couleur observée par Prof. Cheng. La texture semble légèrement granuleuse.

Figure III-5 : Image de vitrocéramique « GCFBS1 » sous loupe binoculaire

Un morceau de l’échantillon vitrocéramique GCFBS1 a été observé au microscope électronique à balayage. La Figure III-6 présente une image MEB obtenue pour un grandissement de 500. L’échantillon montre une microstructure assez dense sans volume poreux visible et significatif. L’observation avec le MEB a montré de petits cristaux de couleur claire entourés par une phase foncée.

Figure III-6 : Image MEB de GCFBS1

La phase foncée est probablement attribuée à l’anorthite [CaAl₂Si₂O₈] d’après les analyses EDX. Cette zone est la plus abondante, occupant sur l’image environ 60% de la surface totale relative (cf. II.2.2.2) Les grains blancs couvrent environ 38% de la surface totale. Ces cristaux ont été analysés par EDX et leur composition est donnée dans la Figure III-7.

Figure III-7 : La composition chimique et spectre EDX de la zone claire de GCFBS1

Nous avons identifié cette phase comme étant de la wollastonite alumineuse 3CaSiO₃+Al₂O₃. Cette phase a également été observée par Peng et al. (2005) dans la vitrocéramique à base de REFIOM avec ajout d’aluminium.

Dans la suite de notre description, nous avons analysé les phases minérales présentes. L’analyse par diffraction des rayons X comparée aux données de la base Mincryst a révélé que les pics les plus intenses sont attribués à la phase triclinique de l’anorthite [CaAl₂Si₂O₈] visible sur la Figure III-8.

An (anorthite), Ge (Gehlénite), Gr (Grossulaire), W (wollastonite)

Figure III-8 : Cliché de diffraction de rayons X sur GCFBS1

La distance interréticulaire de notre phase était identique (avec une précision de 1%) à la structure d’anorthite décrite par Mincryst. Les intensités attribuées aux phases sont comparées avec la phase témoin et sont présentées dans le Tableau III-2. Toutes les intensités des pics ne correspondent pas parfaitement aux intensités données dans la littérature. Mais la conjonction de plusieurs phases dont les pics sont partagés peut causer l’addition des intensités de ces minéraux. Nous supposons que la phase anorthite est la partie noire qui entoure les cristaux blancs sur les images MEB. Cette phase n’est pas apparue pendant l’observation par Prof. Cheng, donc nous ne pouvons pas reproduire exactement le même échantillon suivant le processus.

La deuxième phase importante présente dans notre vitrocéramique est la wollastonite [CaSiO₃]. Nous avons aperçu des pics avec des intensités qui ne correspondent pas exactement aux pics de wollastonite présentés dans Mincryst. Cela peut s’expliquer par l’enrichissement de la wollastonite avec de l’aluminium que nous avons pu observer par microscopie à balayage sous forme des polygones blancs. Nous avons également remarqué que des valeurs de d_HKL sont dans la majorité des cas décalées sur l’axe 2θ vers des valeurs inférieures (c’est-à-dire avec des positions supérieures en d_HKL par rapport aux données de Mincryst).

L’équipe de Prof. Cheng a aussi détecté en plus de l’anorthite et de la wollastonite, le grossulaire [Ca₃Al₂(SiO₄)₃] et la gehlénite [Ca₂Al(AlSi)O₇] (Cheng et al., 2007). Nous avons observé un pic (211) qui pourrait appartenir à la raie 100 de la gehlénite, type melilite, qui correspond à 100% d’intensité donnée par Mincryst. Nous ne pouvons pas confirmer avec certitude la présence des autres pics typiques pour la gehlénite car ils sont inférieurs à 40% d’intensité par rapport à la raie 100% donc pas marqués et entourés par les pics correspondant

aux autres phases. Nous avons observé une petite bosse à 2θ = 33,6° qui ne peut être attribuée à aucune phase minérale mentionnée. Il est probable que ce pic soit la raie 100 du grossulaire (420). Comme dans le cas de la gehlénite, le grossulaire possède d’autres petits pics (d’intensité inférieure à 40%) noyés parmi les autres pics. Comme la gehlénite et le grossulaire sont des phases mineures dans notre échantillon, elles sont difficilement détectables au MEB. Nous observons donc les mêmes phases minérales présentes dans la vitrocéramique synthétisée par Prof. Cheng sauf l’anorthite qui est apparue en plus. Nous n’avons pas classé le pic à 3,9311 Å parmi les phases identifiées, nous avons l’indiqué avec un étoile, comme pic de phase non identifiée.

Tableau III-2 : Pics de diffraction trouvés pour les phases Anorthite, Wollastonite, Grossulaire et une phase non identifiée, avec précision sur les d_HKL inférieure à 0,6%

Pour compléter la caractérisation, nous mesurons la masse volumique, la porosité, le coefficient d’absorption de l’eau et la dureté via l’échelle de Mohs. La masse volumique de l’échantillon GCFBS1 est de 2,86 g/cm3, ce qui est relativement élevé par rapport aux résultats obtenus par le Prof. Cheng (2007). C’est un ensemble de plusieurs masses volumiques très diverses selon la nature et les proportions des phases présentes dans notre échantillon. La plus grande masse volumique est attribuée aux phases minérales. En utilisant les données de Mincryst, il est possible d’’estimer la masse volumique à l’aide de la connaissance de la composition. L’anorthite présente une masse volumique de 2,76 g/cm3, la wollastonite 2,92 g/cm3, la gehlénite 3,05 g/cm3 et la plus grande valeur est de 3,6 g/cm3 pour le grossulaire. La phase vitreuse est considérée comme ayant une masse volumique plus petite (environ 2,4-2,8 g/cm3 (Giancoli, 2004)). La masse volumique mesurée correspond donc à la composition de la structure trouvée.

Si nous comparons l’échantillon synthétisé par le Prof Cheng (2,1 g/cm3) avec la vitrocéramique que nous avons synthétisée (selon la procédure de Prof. Cheng), malgré la même composition initiale et le même traitement thermique, nous avons obtenu une valeur qui est 36% plus élevée. De plus, notre vitrocéramique semble plus poreuse que celle du Prof. Cheng, même si les images MEB (voir Figure III-6), ne révèle pas une porosité importante. Nous avons mesuré

la porosité à 41,3% ce qui est supérieur de 24% aux mesures du Prof Cheng (33,2%). Le coefficient d’absorption de l’eau était donc aussi plus grand avec une valeur à 23,7%, ce qui fait une différence de 15,8% par rapport à celui de l’équipe du Prof. Cheng. La différence de densité des vitrocéramiques (la nôtre et celle du Prof. Cheng) vient sans doute des instruments différents avec lesquels ces mesures ont été effectuées.

La dureté mesurée selon l’échelle de Mohs est de 5,5, ce qui correspond à une dureté entre l’apatite [Ca₅(PO₄)₃(OH,Cl,F)] et l’orthose [KAlSi₃O₈].