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Article

1 - EXTRACTION DE LA ZIRCONE

2 - TRANSFORMATIONS ALLOTROPIQUES

3 - PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE LA ZIRCONE

4 - SYNTHÈSE DES ZIRCONES STABILISÉES

  • 4.1 - Procédés sol-gel
  • 4.2 - Synthèses hydrothermiques
  • 4.3 - Pulvérisation pyrolytique
  • 4.4 - Réaction solide/solide

5 - DOMAINES D'APPLICATION

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : N3210 v1

Domaines d'application
Zircone - Céramique fonctionnelle

Auteur(s) : Gérard MOULIN, Jérôme FAVERGEON, Gérard BÉRANGER

Date de publication : 10 oct. 2008

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RÉSUMÉ

La zircone, ou oxyde de zirconium (dioxyde), a suscité un vif intérêt dès le début de son identification et de sa préparation. Cet oxyde est une céramique à caractère réfractaire tant du point de vue chimique que thermique. Ses propriétés physiques, de conduction électrique et électronique notamment, sont remarquables. Isolant à l'état pur avec une faible semi-conduction de type n, cet oxyde peut devenir conducteur ionique pur s'il est dopé. Le champ d’application de cet oxyde est vaste, notamment du fait de ses propriétés électriques : électrolyte solide, veine pour la magnétohydrodynamique (MHD), pile à combustible, sonde à oxygène...

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ABSTRACT

Zirconia

Zirconia, or zirconium oxide (dioxide) has aroused considerable interest ever since the beginning of its identification and preparation. This oxide is a refractory ceramic from a chemical and thermal angle. Its physical properties and in particular those of electrical and electronic conduction are remarkable. An insulating material in the pure state, with a low n-type semi-conduction, this oxide can become a pure ionic conductor when doped. Its application field is vast in particular due to its electrical properties: solid electrolyte, in magnetohydrodynamics (MDH), fuel cell, oxygen probe, etc.

Auteur(s)

  • Gérard MOULIN : Professeur, Université de technologie de Compiègne (UTC) - Laboratoire Roberval, UMR 6253 CNRS

  • Jérôme FAVERGEON : Maître de conférences, UTC - Laboratoire Roberval, UMR 6253 CNRS

  • Gérard BÉRANGER : Professeur émérite, UTC - Laboratoire Roberval, UMR 6253 CNRS - Membre de l'Académie des technologies

INTRODUCTION

La zircone, ou oxyde de zirconium (dioxyde), a suscité un vif intérêt dès le début de son identification et de sa préparation. En effet, cet oxyde présente plusieurs variétés allotropiques suivant la température ; de plus, la pression ou une contrainte mécanique peut agir sur la structure, ce qui en fait un matériau de choix pour étudier les transformations cristallographiques, d'autant que l'une d'entre elles est de type martensitique (donc avec cisaillement) accompagnée d'une forte hystérésis thermique. Cet oxyde est une céramique à caractère réfractaire tant du point de vue chimique que thermique. Ses propriétés physiques, de conduction électrique et électronique notamment, sont remarquables. Isolant à l'état pur avec une faible semi-conduction de type n, cet oxyde peut devenir conducteur ionique pur s'il est dopé. Le champ des applications à ce dernier titre est vaste : électrolyte solide, veine pour la magnétohydrodynamique (MHD), pile à combustible, sonde à oxygène... Ses modes de préparation ont dans cet esprit, suscité de nombreux travaux allant du procédé sol-gel jusqu'à la fusion en four solaire, en passant par des procédés de précipitation ou de coprécipitation plus traditionnels. Par ailleurs, cet oxyde doit aussi une partie de son intérêt au fait qu'il est le produit de corrosion formé sur les gaines en alliages de zirconium dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP). Le comportement mécanique de la couche de zircone formée sur ces gaines en cours de fonctionnement, et donc le caractère plus ou moins protecteur de cette couche, conditionne la tenue à long terme de l'ensemble des grappes de combustible (phénomènes de « breakaway » ou de desquamation).

Au vu de ce descriptif, on peut apprécier que la zircone constitue un matériau type dont les propriétés d'usage sont étroitement liées aux aspects structuraux (cristallographie et défauts ponctuels). Ces différents aspects seront repris et décrits dans la suite de cet article.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n3210


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5. Domaines d'application

Compte tenu des propriétés physiques particulières et remarquables de la zircone sur le plan thermique, électrique, mécanique et chimique, les applications sont variées et nombreuses ; elles mettent en jeu, suivant les cas, telle ou telle propriété. Toutefois, les deux caractéristiques qui sont les plus mises à profit sont la conductivité thermique et la conductivité ionique.

5.1 Utilisation de la conductivité ionique

La zircone est un matériau de base incontourné et incontournable à l'heure actuelle dans bon nombre d'applications nécessitant des matériaux à bonne conductivité ionique, comme celles relatives aux piles à combustible, aux capteurs à oxygène, aux pompes électrochimiques à oxygène. Rappelons que la conductivité ionique de la zircone est due aux lacunes d'oxygène qui résultent de l'adition de dopants hétérovalents, comme Y2O3. Dans ces domaines d'application, on tient également compte de la bonne combinaison de l'ensemble de ses propriétés (thermiques, mécaniques, chimiques...).

HAUT DE PAGE

5.1.1 Piles à combustible

Nota : sur les piles à combustible, le lecteur est invité à consulter :

  • Piles à combustible PEMFC et SOFC   ;

  • Piles à combustible .

E. Baur et H. Preiss avaient déjà, dans les années 1930, en Suisse, préconisé l'utilisation de matériaux comme le zirconium, l'yttrium, le cérium, le lanthane et le tungstène dans les piles à combustible à haute température équipées d'un électrolyte à oxyde solide (Solid Oxide Fuel Cell : SOFC) . Mais c'est seulement en 1962 qu'une cellule utilisant un oxyde de zirconium et un oxyde de calcium a pu fonctionner au sein de la société Westinghouse.

Le principe de fonctionnement d'une telle pile SOFC correspond à une oxydo-réduction contrôlée d'hydrogène et d'oxygène avec une production simultanée d'électricité, de chaleur et d'eau, selon la réaction chimique globale :

...

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NORMES

  • Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus - ASTM G 65 - 2004

1 Brevets

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1.1 Électrolytes solides

L. Rose, O. Kesler, A. Burgess, Z. Tang, Matériaux céramiques densifiés et méthodes associées, n° de publication : WO/2008/095317, n° de la demande internationale : PCT/CA2008/000272.

R. Sartzlander, W.G. Coors, Préparation de produits frittés de réaction de zircone stabilisé à l'yttrium, n° de publication : WO/2008/089037, n° de la demande internationale : PCT/US2008/050748.

M.E. Badding, S.M. Garnier, S.L. Hagg, T.D. Ketchman, J.A. Miller, D.J. Sint-Julien, Feuille d'électrolyte avec zones de compositions différentes et dispositif de pile à combustible la comprenant, n° de publication : WO/2008/039318, n° de la demande internationale : PCT/US2007/020118.

K. Hata, N. Aikaa, M. Shimomura, Procédé de production de feuille à électrolyte solide, n° de publication : WO/2007/013567, n° de la demande internationale : PCT/JP2006/314924.

K. Hata, Y. Mizutani, K. Hisada, K. Ukai, M. Yokoyama, Feuille électrolytique destinée à une pile à combustible d'oxyde solide, son procédé de fabrication et élément de pile à combustible d'oxyde solide, n° de publication : WO/2006/087959, n° de la demande internationale : PCT/JP2006/302185.

M.M. Seabaugh, K. Sabolsky, M.J. Day, Structures céramiques stratifiées,...

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