Bibliographie & annexes
Présentation
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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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)
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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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Synthèse des zircones stabilisées3. Propriétés physiques de la zircone
La zircone possède un certain nombre de propriétés intéressantes. Outre les propriétés mécaniques déjà présentées dans le paragraphe précédent (voir tableau 3), la zircone s'avère être un matériau qui possède une très faible conductivité thermique par rapport à la plupart des autres oxydes (figure 10). Cette propriété est mise à profit dans le cas des barrières thermiques qui protègent les surfaces métalliques des composants de turbomoteurs contre les gaz à haute température ; la zircone permet d'isoler thermiquement ces surfaces métalliques. Des études récentes montrent que les zircones cubiques sont généralement les meilleurs isolants thermiques, et que l'utilisation d'ions hétérovalents de taille importante comme, par exemple, La3+ permet d'abaisser au maximum la conductivité thermique .
En ce qui concerne la dilatation thermique, la zircone monoclinique pure présente un coefficient de dilatation linéaire d'environ 7,5.10−6 K−1 . Mais dès lors que la zircone est stabilisée, ce coefficient de dilatation thermique augmente : il est d'environ 10.10−6 K−1 pour des zircones partiellement stabilisées , et peut atteindre 13.10−6 K−1 pour des zircones totalement stabilisées.
Une autre propriété intéressante de la zircone stabilisée est sa forte conductivité ionique qui est d'autant plus élevée que la zircone se trouve sous forme cubique. Ceci s'explique par une quantité alors importante de lacunes d'oxygène. Cette contribution « ionique » permet alors d'augmenter la conductivité électrique globale pour les zircones stabilisées. Cette forte conductivité ionique des zircones cubiques s'illustre notamment par un changement de coloration de la zircone lorsqu'elle est soumise à un champ électrique à haute température, sous atmosphère neutre. Dans ce cas, l'oxygène diffuse par mécanisme lacunaire sous l'effet du champ électrique, et « sort » de la zircone à cause de la faible pression d'oxygène présente dans le milieu gazeux externe. Ceci conduit à une augmentation de la concentration en lacunes anioniques, et, en conséquence,...
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Propriétés physiques de la zircone
NORMES
-
Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus - ASTM G 65 - 2004
ANNEXES
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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