Des céramiques obtenues par frittage en quelques secondes !

Les céramiques sont des matériaux minéraux, non métalliques, formés généralement d’oxydes métalliques, de carbures, nitrures ou borures.
Elles sont la plupart du temps obtenues à partir de poudres par frittage.

Le frittage consiste à chauffer une poudre sans la mener jusqu’à la fusion. Sous l’effet de la chaleur et en la présence ou non d’une contrainte, les grains se soudent. La fabrication des poteries en constitue l’exemple le plus ancien.

Les céramiques représentent un type de matériaux aux multiples applications dues à leurs remarquables qualités thermiques, mécaniques et leur forte stabilité chimique.
Mais les méthodes conventionnelles  de frittage des céramiques exigent souvent des heures de cuisson. Ceci peut constituer un obstacle à la réalisation de matériaux sophistiqués. Un long temps de frittage peut, par exemple, empêcher la réalisation d’électrolytes solides pour batteries au lithium, ce dernier, comme le sodium, s’évaporant fortement durant le procédé.

 Des chercheurs de l’University of Maryland, College Park, USA et de l’University of California, Los Angeles, USA, ont mis au point une nouvelle méthode de frittage ultra rapide à haute température dite FUHT.

La nouvelle méthode de frittage

Outre une distribution uniforme de la température, ce procédé se caractérise par une grande vitesse d’établissement de celle-ci (~ 103 à 1040 °C/min ) et des températures  allant jusqu’à 3000 °C. La durée du frittage n’est plus que de l’ordre de 10 s. La figure 1A schématise le procédé.

Fig.1 Procédé ultra-rapide de synthèse de céramiques
A) Schéma de la méthode de frittage FUHT. La pastille de précurseurs pressée est soumise à une température allant jusqu’à 3000 °C en quelques 10 secondes. Ceci la transforme en un matériau céramique dense.
B) Photographie du montage de la méthode FHUT à froid.
C) Photographie du montage alors que les rubans de carbone sont alimentés en courant et que la température de la pastille est d’environ 1500 °C.
Tiré de” A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”
Chengwei Wang, Weiwei Ping, Qiang Bai, Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Ruiliu Wang, Alexandra H. Brozena, Zhenpeng Xu, Jiaqi Dai, Yong Pei, Chaolun Zheng, Glenn Pastel, Jinlong Gao, Xizheng Wang, Howard Wang, Ji-Cheng Zhao, Bao Yang, Xiaoyu (Rayne) Zheng, Jian Luo,Yifei Mo, Bruce Dunn, Liangbing Hu.
Science 368, 521–526 (2020) 1 May 2020, avec autorisation

Des composants  précurseurs de la céramique sont pressés pour former une pastille. Celle-ci est placée, sous atmosphère inerte, entre deux rubans de carbone. Ceux-ci peuvent être électriquement chauffés par effet Joule et amener  ainsi rapidement par rayonnement et conduction la pastille à une haute température.
Ce système peut atteindre une température de 3000 °C, suffisante pour synthétiser et fritter n’importe quel matériau céramique.

La vidéo ci-après présente l’obtention par ce procédé d’une pastille (comme dans la Fig.1.) en LLZTO (Li6,5La3Zr1,5Ta0,5O12), une céramique proposée pour la réalisation d’électrolytes solides pour batteries au lithium.

Tiré de A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds
Chengwei Wang, Weiwei Ping, Qiang Bai, Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Ruiliu Wang, Alexandra H. Brozena, Zhenpeng Xu, Jiaqi Dai, Yong Pei, Chaolun Zheng, Glenn Pastel, Jinlong Gao, Xizheng Wang, Howard Wang, Ji-Cheng Zhao, Bao Yang, Xiaoyu (Rayne) Zheng, Jian Luo,Yifei Mo, Bruce Dunn, Liangbing Hu.
Science 368, 521–526 (2020) 1 May 2020, Supplementary Material, avec autorisation.

 

La réaction des composants précurseurs du LLTO  est ici très rapide (~ 40s) avec une montée en température d’environ 30 s suivie d’une phase de frittage isotherme de 10 s.

On voit bien les différentes phases sur la Fig.2. ci-dessous.

Fig.2 Frittage rapide de matériaux céramiques
A) Profil de température typique du procédé FUHT. l’opération dure moins d’une minute. Les images au microscope électronique à balayage (MEB) correspondent à la phase de frittage isothermique (~ 10 s) à haute température.
RT représente la température ambiante.
B) et C) Images MEB de coupes de céramiques obtenues par FUHT (B) et par chauffage conventionnel au four (C).
D) Pertes en lithium subies par différents échantillons de LLZTO
ayant des excès de Lithium de 0%, 10% ,et 20% obtenus par FUHT ou par technique classique de cuisson au four.
E) Photos de diverses céramiques frittées par la technique FUHT.
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Science 368, 521–526 (2020) 1 May 2020, avec autorisation

On peut aussi remarquer sur la Fig.2 ci-dessus  (B, C) que le grain de la céramique obtenue  par FUHT est plus fin que celui  obtenu  par la technique classique de cuisson au four.
La méthode FUHT entraîne également une densité plus élevée (97%) dela céramique.

Remarquons que le temps d’arrivée à la température de réaction et de frittage, qui est de l’ordre de plusieurs heures avec la technique conventionnelle, se réduit à 30 s seulement avec la technique FUHT.

Ceci permet d’éviter l’évaporation et la perte d’éléments comme le lithium ou d’autres dopants.

On peut ainsi envisager la fabrication de céramiques sophistiquées contenant des éléments impossibles à incorporer avec la technique classique de cuisson au four.

Ce qui rend très prometteuse cette nouvelle méthode c’est le fait d’avoir réduit le temps de frittage à quelques secondes. Cela permet de  contrôler précisément à la fois le contenu en produits dopants de la céramique mais aussi la croissance de son grain.

Le chauffage ultra-rapide à haute température peut aussi réduire ou éliminer des impuretés et des défauts situés aux joints de grain des cristallites composants des matériaux poly-cristallins que sont les céramiques.

Les fins rubans de chauffage  en carbone utilisés dans la technique FUHT sont très flexibles et peuvent envelopper des structures 3D inhabituelles et permettre ainsi de fabriquer des dispositifs particuliers à la forme bien différente de celle d’une simple pastille.

Le gain de temps dû à ce système rapide de frittage s’avère enfin très précieux dans la mise au point de nouveaux matériaux céramiques où l’on essaie tour à tour de nombreuses formules de composants.

 

 

 

Pour en savoir plus :
A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds

Chengwei Wang, Weiwei Ping, Qiang Bai, Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Ruiliu Wang, Alexandra H. Brozena, Zhenpeng Xu, Jiaqi Dai, Yong Pei, Chaolun Zheng, Glenn Pastel, Jinlong Gao, Xizheng Wang, Howard Wang, Ji-Cheng Zhao, Bao Yang, Xiaoyu (Rayne) Zheng, Jian Luo,Yifei Mo, Bruce Dunn, Liangbing Hu.

Science 368, 521–526 (2020) 1 May 2020