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HAL Id: tel-01910467 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01910467 Submitted on 1 Nov 2018 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Distributed under a Creative Commons Attribution - NonCommercial - NoDerivatives| 4.0 International License Sur un nouveau procédé de frittage de céramiques à basse température : le frittage hydrothermal. Développement et approche mécanistique Arnaud Ndayishimiye To cite this version: Arnaud Ndayishimiye. Sur un nouveau procédé de frittage de céramiques à basse température : le frittage hydrothermal. Développement et approche mécanistique. Matériaux. Université de Bordeaux, 2017. Français. NNT : 2017BORD0889. tel-01910467 THÈSE PRÉSENTÉE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES SPÉCIALITÉ : Physico-Chimie de la Matière Condensée Par Arnaud NDAYISHIMIYE Sur un nouveau procédé de frittage de céramiques à basse température : le frittage hydrothermal. Développement et approche mécanistique Sous la direction de : Mme Graziella GOGLIO Soutenance prévue le 19 décembre 2017 Devant le jury composé de : M. Claude ESTOURNES, Directeur de Recherche, CIRIMAT Toulouse, Rapporteur M. Sylvain MARINEL, Professeur des Universités, ENSICAEN, CRISMAT, Rapporteur M. Alain LARGETEAU, Ingénieur de Recherche, ICMCB, Co-encadrant de thèse, Examinateur M. Mario MAGLIONE, Directeur de Recherche, ICMCB, Président Mme Cécile PAGNOUX, Professeur des Universités, Université de Limoges, SPCTS, Examinatrice Mme Graziella GOGLIO, Professeur des Universités, Université de Bordeaux, ICMCB, Directrice de thèse Mme Catherine ELISSALDE, Directrice de Recherche, ICMCB, Invitée M. Stéphane MORNET, Chargé de Recherche, ICMCB, Invité 2 3 A ma chère maman décédée le 13 août 2017 Maman, ton enthousiasme et tes encouragements quotidiens ont été la force motrice de cette thèse. Merci pour tout. A mon cher papa, à mes chers sœurs et frères 4 5 Remerciements Cette thèse a été réalisée à l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux dans le groupe 5, chimie des nanomatériaux. A cet égard, je remercie Monsieur Mario Maglione pour m’avoir accueilli au sein de ce laboratoire et pour avoir accepté de présider le jury de thèse. Je tiens à remercier tout d’abord ma directrice de thèse, Madame Graziella Goglio, pour son encadrement, ses conseils et sa présence tout au long de cette thèse. Merci de m'avoir transmis ce que j'étais venu apprendre auprès de toi : la rigueur scientifique et de bonnes qualités rédactionnelles. C'était un grand plaisir de travailler avec toi ! Je remercie également mon co-encadrant de thèse, Monsieur Alain Largeteau pour sa disponibilité. J'adresse également mes plus sincères remerciements à Messieurs Sylvain Marinel et Claude Estournès pour avoir accepté de rapporter ce travail de thèse et pour les discussions intéressantes et constructives. Je remercie très sincèrement Mesdames Cécile Pagnoux et Catherine Elissalde et Monsieur Stéphane Mornet pour leur participation à mon jury de thèse. Il y a six ans de cela, Cécile a accompagné mes premiers pas d'ingénieur céramiste ! Cathy a largement contribué au succès de la thèse et Stéphane est, pour moi, un modèle de rigueur scientifique. J’aimerais aussi remercier les différentes personnes avec qui j’ai eu l'opportunité de collaborer et/ou discuter dans le cadre de ce travail en France: (ICMCB) Cyril Aymonier, Dominique Bernard, Sylvie Bordère, U-Chan Chung, Philippe Dagault, Dominique Denux, Mathieu Duttine, Catherine Elissalde, Laetitia Etienne, Sonia Gomez, Mohamed Gouné, Jean Marc Heintz, Eric Lebraud, Jérôme Majimel, Stéphane Mornet, Viraphong Oudomsack, Stanislav Pechev, Gilles Philippot, Angéline Poulon, Mythili Prakasam, François Weill; (PLACAMAT) Marion Gayot, Philippe Legros, Pascale Garreta, Sophie Agard, Michel Martineau, Michel Lahaye; (Institut des Sciences Moléculaires) Odile Babot, Marc Birot, Marie Anne Dourges; (SIMAP Grenoble) Marc Verdier; en République Tchèque: Jiri Hitmanjek, Ondrej Kaman, Jakub Koktan et aux USA: Bruce Dunn, Clive Randall, Rick Riman et John Wight. Leur aide et leurs conseils ont été constructifs et d'une très grande importance pour mes travaux de thèse. Je tiens à remercier tout le personnel de l’ICMCB, plus particulièrement Carole pour son aide à toutes épreuves, Stéphane, Sandrine, Cyril et Fred. J'exprime toute ma gratitude aux membres du groupe 5, actuels et passés car ils ont tous, d'une manière ou d'une autre, contribué à l'avancement de mes travaux, dans la bonne humeur. Grand merci aux permanents de groupe : Etienne (le chef de groupe), MHD, Glenna, Jérôme, Lydia (L'esprit du groupe 5), Mona et aux non permanents : Alexandra, Magali, Véronique, Sanaa, Benoît, Hervé, Antoine, Elham, Weiya, Bai, Clément, Alexandre, Samuel, Maria, Cyril, Laurent, Stéphanie, Ming, Sergio, Noelia... Je n'oublie pas mes stagiaires (officiels et officieux) qui ont toujours travaillé avec beaucoup de dynamisme et d’enthousiasme : Vincent, Tim, Cyril, Etienne, Margaux, Bastien, Adam, Adélaïde, Elodie. Keep up the good work! Je remercie les doctorants et post-docs d'autres groupes avec qui j'ai partagé trois superbes années à Bordeaux. Une attention particulière à Thomas, Vola, Clio, Lorenzo, Professeur Quentin, Dr Clément. 6 Je tiens à remercier les collègues que j'ai eus dans le cadre de missions complémentaires à Getrag Ford Transmissions et au sein du service audiovisuel de l'Université de Bordeaux. Merci aussi à mes collègues délégués du President's Council for Student Advisors de l'ACerS de m'avoir donné l'opportunité d'être impliqué dans les activités d'une organisation professionnelle internationale. Merci à ma famille qui m'a grandement soutenu tout au long de mes études, Gracias mi amor por todo! Je réitère mes remerciements à Graziella, Cathy et Carole. Je tiens encore à rendre un hommage appuyé à mes parents, plus particulièrement à ma mère qui était ma supportrice n°1. 7 SOMMAIRE GÉNÉRALITÉS SUR LA SCIENCE DU FRITTAGE ......................................... 17 I.1 Définitions du frittage .................................................................................................... 19 I.2 Historique........................................................................................................................ 19 I.2.1 Du paléolithique récent au XVIIIème siècle ................................................................ 19 I.2.2 Entre le XVIIIème et le XIXème siècle ............................................................................. 20 I.2.3 Entre XIXème et le XXème siècle ..................................................................................... 20 I.2.4 Entre le début du XXème siècle et 1939 ....................................................................... 20 I.2.5 Entre 1939 à aujourd’hui ............................................................................................ 22 I.3 Aspects généraux ............................................................................................................ 23 I.3.1 Caractéristiques des poudres et conditions optimales de frittage .......................... 23 I.3.1.1 Caractéristiques des poudres ............................................................................. 23 I.3.1.2 Relations entre caractéristiques des poudres et paramètres de frittage .......... 24 I.3.2 Force motrice du frittage ............................................................................................ 28 I.3.2.1 Approche thermodynamique : Réduction de l’énergie superficielle .............. 28 I.3.2.2 Approche cinétique : Effet des leviers de réduction de l’énergie de surface .. 29 I.4 Principaux types de frittage ........................................................................................... 31 I.4.1 Le frittage libre ............................................................................................................ 32 I.4.1.1 Frittage en phase solide ...................................................................................... 32 I.4.1.1.1 Stade initial ..................................................................................................... 33 I.4.1.1.2 Stade intermédiaire ........................................................................................ 35 I.4.1.1.3 Stade final ....................................................................................................... 35 I.4.1.2 Frittage en phase liquide .................................................................................... 36 I.4.1.2.1 Stade initial: réarrangement .......................................................................... 37 I.4.1.2.2 Stade intermédiaire: dissolution-précipitation ............................................ 38 I.4.1.2.3 Stade final : frittage du squelette solide ....................................................... 39 I.4.1.3 Frittage par flux visqueux .................................................................................. 40 I.4.1.3.1 Modèle de Frenkel.......................................................................................... 40 I.4.1.3.2 Modèle de Scherer .......................................................................................... 40 I.4.1.3.3 Modèle de Mackenzie-Shuttleworth............................................................. 41 I.4.1.4 Conclusion ........................................................................................................... 42 I.4.2 Frittage sous contraintes............................................................................................. 42 I.4.2.1 Frittage sous contrainte en phase solide ............................................................ 42 I.4.2.1.1 Stade initial ..................................................................................................... 43 I.4.2.1.2 Stade intermédiaire ........................................................................................ 44 8 I.4.2.1.3 Stade final ....................................................................................................... 44 I.4.2.2 Effet de l’application d’une contrainte lors du frittage en phase liquide........ 45 I.4.2.3 Conclusion ........................................................................................................... 45 I.5 Techniques les plus utilisées : application au frittage de la silice ............................... 46 I.5.1 Frittage libre ................................................................................................................ 46 I.5.1.1 Frittage conventionnel ........................................................................................ 46 I.5.1.2 Frittage microonde .............................................................................................. 46 I.5.2 Frittage sous contraintes............................................................................................. 47 I.5.2.1 Hot Pressing (HP) ............................................................................................... 47 I.5.2.2 Hot Isostatic Pressing (HIP) ............................................................................... 48 I.5.2.3 Le spark plasma sintering (SPS) ......................................................................... 49 I.5.2.3.1 Dispositif de frittage 128 .................................................................................. 49 I.5.2.3.2 Frittage de la silice.......................................................................................... 50 I.5.2.3.3 Frittage de composites nanostructurés à matrice siliceuse ......................... 51 I.5.2.4 Conclusion ........................................................................................................... 52 I.6 Vers des techniques de frittage à basse temperature ................................................... 53 I.6.1 Le “reactive Hydrothermal Liquid Phase Densification” (rHLPD) ........................ 53 I.6.1.1 Définition ............................................................................................................. 53 I.6.1.2 Processus de densification .................................................................................. 53 I.6.1.3 Conclusion ........................................................................................................... 54 I.6.2 Le “cold sintering process” (CSP) .............................................................................. 55 I.6.2.1 Définition ............................................................................................................. 55 I.6.2.2 Dispositif de frittage ........................................................................................... 55 I.6.2.3 Mécanismes de frittage et thermodynamique par CSP61, 65–67 ........................... 57 I.6.2.3.1 Réarrangement ............................................................................................... 57 I.6.2.3.2 Dissolution-précipitation et grossissement des grains ................................ 58 I.6.2.4 Présentation de quelques travaux ...................................................................... 61 I.6.2.5 Conclusion ........................................................................................................... 62 I.6.3 Le Frittage Hydro/solvothermal ................................................................................ 63 I.6.3.1 Principe ................................................................................................................ 63 I.6.3.2 Dispositif de frittage ........................................................................................... 63 I.6.3.3 Mécanismes de frittage ....................................................................................... 64 I.6.3.4 Présentation de quelques études ........................................................................ 65 I.6.3.5 Conclusion ........................................................................................................... 69 I.7 Conclusion....................................................................................................................... 70 9 RÔLE DE L’EAU SUR LA DENSIFICATION DE NANOPARTICULES DE SILICE PAR FRITTAGE HYDROTHERMAL .............................................................................. 79 II. 1. Elaboration des nanoparticules de silice ....................................................................... 82 II.1.1 Choix de la méthode de synthèse .......................................................................... 82 II.1.2 Synthèse de nanoparticules de silice par la méthode L-arginine ........................ 85 II.1.2.1 Protocole de synthèse ......................................................................................... 85 II.1.2.2 Protocole de calcination de la poudre ............................................................... 86 II.1.3 Caractérisation des nanoparticules de silice brutes et calcinées.......................... 86 II.2 Frittage hydrothermal de nanoparticules de uploads/Science et Technologie/ ndayishimiye-arnaud-2017.pdf