Quand isolation rime avec densification

Un travail collaboratif entre le CEA - DAM et l’Institut de recherche sur les céramiques à Limoges a permis d’acquérir des connaissances sur les mécanismes de consolidation et de densification intervenant lors de la fabrication de céramiques à base de silice [1]. Ces connaissances sont primordiales pour optimiser leur procédé de fabrication et pour augmenter la pertinence des modélisations numériques. À terme, l’objectif pour le CEA - DAM est de maîtriser l’impression 3D de structures complexes à base de céramiques pour l’isolation thermique à haute température des corps de rentrée des têtes nucléaires.

Les céramiques sont essentielles dans de nombreuses industries en raison de leur capacité à résister à des températures élevées et à des environnements corrosifs. Elles sont mises en œuvre dans des fours, des revêtements protecteurs, des isolants thermiques, etc. À partir d’une poudre de matière, elles sont obtenues par un procédé industriel appelé frittage : sous l’action combinée de la chaleur et de la pression, le matériau est densifié et consolidé. L’optimisation des performances, c’est-à-dire l’atteinte des meilleures propriétés mécaniques et thermiques, passe par la maîtrise des mécanismes – souvent méconnus – de densification des poudres à l’œuvre lors du procédé de fabrication [2]. Dans le cas de la silice, notre étude a permis d’identifier précisément et d’optimiser ces mécanismes aux premières étapes de frittage.

Pour parvenir à ce résultat, nous avons utilisé une poudre de silice d’une pureté chimique supérieure à 99,9 %. Celle-ci est principalement composée de particules sphériques de 1 à 2 μm de diamètre. Dans un premier temps, des échantillons cylindriques de cette poudre ont été compactés par pressage à l’Ircer à Limoges. Puis leur comportement au frittage a été étudié avec des analyses poussées de dilatométrie, permettant de suivre leur contraction ; la densification de cette poudre commence à partir de 1 200 °C.

Grâce à ces analyses, nous avons établi que le processus de densification est contrôlé par un mécanisme d’écoulement visqueux et déterminé des paramètres clés tels que l’énergie d’activation et la viscosité. L’énergie d’activation est l’énergie nécessaire à apporter pour que le frittage se produise. Elle a été évaluée à une valeur 30 % plus faible que celle de l’alumine, autre matériau céramique très utilisé ; cela donne une idée de la facilité avec laquelle la silice peut se densifier à haute température. La viscosité, qui mesure la résistance d’un liquide à l’écoulement, a aussi été évaluée à 1 250 °C : le matériau est encore relativement fluide à cette température, ce qui permet aux particules de se déplacer et de se regrouper, facilitant ainsi sa contraction.

Nous avons aussi étudié à l’Ircer l’évolution de la morphologie de la poudre de silice, à différents stades du cycle de température imposé (figure 1). Cette poudre commence à se densifier par la diffusion de matière entre les particules portées à 1 250 °C, mais pas de manière significative. Elle passe en effet par une phase intermédiaire de consolidation où les particules commencent à se lier en formant des cous interparticulaires (figures 1a et 1c). Ces cous correspondent à des zones où la silice commence à s’écouler, facilitant ainsi la diffusion de matière. Puis, en maintenant ce niveau de température, la contraction progresse, ces cous deviennent plus grands et les particules commencent à coalescer, formant des agglomérats (figure 1d).

Toutefois, nous ne recherchons pas nécessairement la densification maximale, car c’est la présence d’une porosité résiduelle après frittage qui permet d’assurer la capacité d’isolation thermique finale de la pièce. Plus elle sera dense, moins elle sera isolante. C’est pourquoi la compréhension fine du frittage est importante afin de maîtriser au mieux ce compromis.

Ces résultats expérimentaux ont permis d’établir la courbe de croissance de la contraction volumique en fonction de celle du cou interparticulaire. Nous avons comparé cette trajectoire à celles issues de modèles numériques de la littérature (figure 2). Il en ressort que les modèles existants de densification par diffusion de surface ou de volume sous-estiment la trajectoire de croissance des cous. Ces modèles ne prennent pas en compte tous les phénomènes physiques identifiés dans notre étude, en particulier les interactions entre plusieurs particules. Les modèles de diffusion visqueuse et de diffusion aux zones de contact entre les grains, appelés joints de grain, encadrent les résultats expérimentaux.

Nous utiliserons les informations précieuses obtenues sur les mécanismes de frittage pour enrichir la modélisation du frittage et reproduire plus fidèlement les phénomènes observés avec la silice. Notre travail de modélisation pourra ensuite être utilisé afin d’optimiser le procédé d’impression 3D retenu [3] et d’améliorer la prévision des propriétés thermiques et mécaniques des structures poreuses fabriquées à base de silice.