Présentation

Article interactif

1 - INTERACTIONS MICRO-ONDES/MATIÈRE ET PRINCIPES

2 - MODÉLISATION MULTIPHYSIQUE DU FRITTAGE MICRO-ONDES

3 - APPLICATIONS DES MICRO-ONDES POUR LES PROCÉDÉS CÉRAMIQUES

4 - APPLICATIONS DU CHAUFFAGE MICRO-ONDES POUR LE FRITTAGE DES CÉRAMIQUES

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : N4808 v1

Sigles, notations et symboles
Frittage de céramiques par chauffage micro-ondes

Auteur(s) : Sylvain MARINEL, François VALDIVIESO, Charles MANIÈRE

Relu et validé le 06 juil. 2021

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

Cet article présente la technique de chauffage micro-ondes appliquée aux procédés céramiques : synthèse, brasage, séchage, frittage, etc. Les interactions micro-ondes/matière sont abordées de façon à comprendre les spécificités de ce mode de chauffage. Le caractère multiphysique du procédé et l’intérêt de la modélisation sont discutés en vue de l’amélioration de la technique de chauffage par micro-ondes et du procédé en général. Différents exemples sont traités tels que le séchage et le déliantage des pièces crues céramiques par chauffage micro-ondes. Le frittage est aussi largement traité à travers l’utilisation de techniques différentes, mais complémentaires (cavités multimode ou monomode, fréquence, etc.).

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Microwave sintering of ceramics

This article deals with the microwave heating technique applied to ceramic processes: synthesis, brazing, drying, sintering, etc. Microwave/matter interactions are discussed in order to understand the peculiarities of this heating mode. The multiphysical nature of the process and the interest of modeling are discussed with a view to improving the microwave heating technique and the process in general. Different examples are treated such as drying and debinding raw ceramic parts by microwave heating. Sintering is also widely treated through the use of different but complementary techniques (multimode or monomode cavities, frequency, etc.).

Auteur(s)

  • Sylvain MARINEL : Professeur des Universités, Université de Caen Normandie - Normandie Univ, ENSICAEN, UNICAEN, CNRS, CRISMAT

  • François VALDIVIESO : Professeur des Universités, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne - Mines de Saint-Etienne, Univ. Lyon, CNRS, UMR 5307, Centre SMS

  • Charles MANIÈRE : Chargé de Recherches CNRS - Normandie Univ, ENSICAEN, UNICAEN, CNRS, CRISMAT

INTRODUCTION

Le rayonnement micro-ondes est une onde électromagnétique ; sa fréquence est comprise entre 0,3 et 300 GHz. Jusqu’au milieu des années 1940, ce rayonnement était utilisé dans les radars. Ce n’est qu’à cette période – et de manière fortuite ! – que la capacité des micro-ondes à chauffer la matière a été découverte. Une trentaine d’années après, ce processus de conversion de l’énergie électromagnétique en chaleur a intéressé les céramistes pour le frittage des matériaux. Procédé permettant de consolider et de densifier un matériau pulvérulent par un traitement thermique, souvent à hautes températures, grâce à l’activation des mécanismes de transport de matière, le frittage constitue une étape clé de la fabrication des céramiques. Les premières études de frittage des céramiques par chauffage micro-ondes sont attribuées à des groupes américains et français. A partir des années 1970, des groupes américains et canadiens étudient le frittage des céramiques structurales (groupes du Los Alamos National Laboratory-T.T. Meek, du Oak Ridge National laboratory-H.D. Kimrey ou encore de l’Université d’Alberta-W.R. Tinga). Simultanément, des recherches françaises sont initiées à l’Université Pierre et Marie Curie de Paris (groupe de J.C. Badot et A.J. Berteaud), à l’ENSPCI (P. Piluso, N. Lequeux et P. Boch), à l’Université de Nancy (G. Roussy) ou encore à l’Université de Caen Normandie (G. Desgardin et B. Raveau). Au début des années 1980, l’agence spatiale américaine (NASA) s’intéresse à son tour à cette technologie : il s’agissait d’élaborer in situ – en l’occurrence sur la Lune – des matériaux de structure par simple frittage micro-ondes de matériaux lunaires. Il a été très vite démontré que les roches du sol lunaire, riches en oxydes de fer, possédaient d’excellentes aptitudes à être chauffées par micro-ondes.

Sachant que le mécanisme de chauffage résulte de la mise en mouvement d’espèces électriquement chargées dans les solides, il apparaît important de comprendre ces interactions micro-ondes/matière par une évaluation des propriétés diélectriques des solides soumis aux fréquences micro-ondes, et ce, si possible, en fonction de la température. Le mécanisme de chauffage par micro-ondes est lié à un phénomène de polarisation électrique en régime alternatif ; la constante diélectrique complexe du matériau en constitue donc la propriété physique la plus pertinente pour anticiper son aptitude à être chauffé par micro-ondes. Le transfert de l’énergie au sein de la pièce se fait généralement dans son volume, au moins dans le cas des isolants électriques : la profondeur de pénétration de l’onde est alors de l’ordre de quelques centimètres. Ce processus est donc fréquemment qualifié de « chauffage volumique ». Cette propriété s’accompagne aussi de vitesses de chauffage élevées (> 200 °C/min), qui résultent d’une interaction privilégiée entre le matériau et le rayonnement micro-ondes. Seuls la pièce et son environnement proche sont chauffés, ce qui se traduit par un gain conséquent en termes de consommation énergétique. Le chauffage par micro-ondes permettrait également de diminuer les températures de frittage et/ou d’augmenter les vitesses de densification (donc de diffusion) des matériaux. Ces phénomènes font appel aux effets spécifiques du champ électrique micro-ondes sur les mécanismes de diffusion atomiques et sont fréquemment qualifiés d’ « athermiques », car ils ne font intervenir que l’action d’un champ électromagnétique. Par opposition, d’autres effets, liés à la façon dont le matériau est chauffé (chauffage volumique, vitesse de chauffage, etc.), sont aussi des pistes souvent avancées pour expliquer la capacité du chauffage micro-ondes à fritter plus vite et/ou à plus basse température les céramiques (effets thermiques).

Aujourd’hui encore, ces effets sont toujours débattus, même si, à la lumière de nombreux travaux réalisés et publiés, les effets thermiques sont généralement privilégiés pour expliquer l’efficacité rapportée du frittage par chauffage micro-ondes. Ces caractéristiques confèrent alors au procédé micro-ondes des spécificités intéressantes qui s’inscrivent naturellement dans le cadre du développement durable et des économies d’énergie. Dès lors, cette technologie de frittage peut constituer une alternative intéressante aux procédés conventionnels, et suscite aujourd’hui encore un intérêt académique, mais aussi industriel. L’objet de cet article est donc de décrire les mécanismes d’interactions micro-ondes/matière qui conduisent au chauffage des céramiques. Les aspects technologiques de ce procédé sont d’abord présentés : production et transfert des micro-ondes, types d’applicateurs micro-ondes pour la conversion de l’énergie électromagnétique en chaleur au sein de la pièce. Les outils et moyens de contrôle du procédé sont ensuite abordés et donnent lieu, aujourd’hui encore, à de nombreux développements faisant appel à des compétences multiples (thermique, automatisme, métrologie, etc.). Différentes applications sont alors décrites concernant le frittage de l’alumine et de la zircone (deux des céramiques les plus utilisées), avec une section dédiée aux utilisations industrielles des micro-ondes dans le domaine des céramiques (séchage). Des applications spécifiques telles que le brasage, mais aussi la synthèse rapide par réaction à l’état solide entre précurseurs via un chauffage micro-ondes, sont enfin présentées.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

sintering   |   ceramics   |   microwave   |   High temperature

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n4808


Cet article fait partie de l’offre

Verres et céramiques

(64 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

7. Sigles, notations et symboles

(Sections simulation 2.3 et 2.4)

HAUT DE PAGE

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

TEST DE VALIDATION ET CERTIFICATION CerT.I. :

Cet article vous permet de préparer une certification CerT.I.

Le test de validation des connaissances pour obtenir cette certification de Techniques de l’Ingénieur est disponible dans le module CerT.I.

Obtenez CerT.I., la certification
de Techniques de l’Ingénieur !
Acheter le module

Cet article fait partie de l’offre

Verres et céramiques

(64 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Sigles, notations et symboles
Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - RYBAKOV (K.I.), OLEVSKY (E.A.), KRIKUN (E.V.) -   Microwave Sintering: Fundamentals and Modeling.  -  J. Am. Ceram. Soc. 96, 1003-1020. doi:10.1111/jace.12278 (2013).

  • (2) - MARINEL (S.), RENAUT (N.), SAVARY (E.), MACAIGNE (R.), RIQUET (G.), COUREAU (C.), GADEYNE (T.), GUILLET (D.) -   Tuning, Impedance Matching, and Temperature Regulation during High-Temperature Microwave Sintering of Ceramics.  -  Adv. Mater. Sci. Eng. 2018, 1-8. doi:10.1155/2018/4158969 (2018).

  • (3) - HANSEN (J.D.), RUSIN (R.P.), TENG (M.-H.), JOHNSON (D.L.) -   Combined-Stage Sintering Model,  -  J. Am. Ceram. Soc. 75, 1129-1135. doi:10.1111/j.1151-2916.1992.tb05549.x (1992).

  • (4) - WANG (J.), RAJ (R.) -   Estimate of the Activation Energies for Boundary Diffusion from Rate-Controlled Sintering of Pure Alumina, and Alumina Doped with Zirconia or Titania.  -  J. Am. Ceram. Soc. 73, 1172-1175. doi:10.1111/j.1151-2916.1990.tb05175.x (1990).

  • (5) - RAHAMAN (M.N.) -   Sintering of Ceramics,  -  CRC Press (2007).

  • ...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Verres et céramiques

(64 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire

QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE

1/ Quiz d'entraînement

Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.

2/ Test de validation

Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Verres et céramiques

(64 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS