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1 - DÉFINITION ET APPLICATIONS DES VITROCÉRAMIQUES

2 - APPROCHE THÉORIQUE DE LA CRISTALLISATION DANS LES VERRES

3 - ÉLABORATION DES VITROCÉRAMIQUES

4 - CARACTÉRISATIONS STRUCTURALES ET MICROSTRUCTURE

5 - PROPRIÉTÉS ET APPLICATIONS

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : N4802 v1

Élaboration des vitrocéramiques
Vitrocéramiques

Auteur(s) : Mathieu ALLIX, Laurent CORMIER

Relu et validé le 23 oct. 2020

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RÉSUMÉ

Les vitrocéramiques sont des matériaux composites innovants constitués de cristaux dispersés dans une matrice vitreuse. Leur élaboration est réalisée par cristallisation partielle et contrôlée d'un verre. La maîtrise des différents mécanismes de nucléation/croissance menant à la microstructure finale et le large choix de compositions vitrifiables permettent d'accéder à divers matériaux fonctionnels pouvant combiner de nombreuses propriétés mécaniques, thermiques, optiques, énergétiques et bioactives.

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ABSTRACT

Glass-ceramics

Glass-ceramics are innovative composite materials made from crystals dispersed in a glass matrix. Their elaboration is performed by the partial and controlled crystallization of a glass. The mastery of the various nucleation/growth processes leading to the final microstructure and the wide choice of glass forming compositions provide access to various functional materials that can combine a large number of mechanical, thermal, optical, energetic and bioactive properties.

Auteur(s)

  • Mathieu ALLIX : Docteur de l'Université de Caen en chimie des matériaux - Chargé de Recherche CNRS, Laboratoire CEMHTI, UPR3079, Orléans

  • Laurent CORMIER : Docteur de l'Université Pierre et Marie Curie en physique des matériaux - Directeur de Recherche CNRS, Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés, UPMC, CNRS UMR7590, Paris

INTRODUCTION

Les vitrocéramiques sont des matériaux technologiques innovants élaborés par cristallisation contrôlée du verre. Ils sont composés de cristaux dispersés dans une matrice vitreuse. Cette dualité leur permet de combiner les avantages du verre (domaine de compositions étendu, facilité de synthèse et de mise en forme et absence de porosité) avec les propriétés spécifiques des phases cristallines apparaissant lors de la cristallisation (notamment un faible coefficient d'expansion thermique).

Depuis leur découverte fortuite dans les années 1950, de nombreux travaux ont porté sur la compréhension des mécanismes de cristallisation dans les verres. Cet article débute donc par une description des différents processus de nucléation et de croissance mis en jeu lors de la cristallisation. Les aspects théoriques de la nucléation homogène et hétérogène sont abordés ainsi que les différents modes de croissance. Si la théorie classique de la nucléation offre une approche simplifiée de la cristallisation, de nouvelles théories plus performantes mais aussi plus complexes émergent aujourd'hui pour permettre d'accorder les différentes informations apportées par des techniques de caractérisation de plus en plus performantes.

La compréhension des phénomènes de nucléation/croissance est une étape importante dans la conception et le développement des vitrocéramiques. En effet, si les propriétés macroscopiques d'une vitrocéramique sont étroitement corrélées à la composition du verre initial, elles sont surtout dépendantes de la nature et de la microstructure des phases cristallines (taille, morphologie, quantité...). Lors de la conception d'une vitrocéramique à propriétés spécifiques, il est donc primordial de bien maîtriser le processus de cristallisation pour déterminer le procédé d'élaboration adapté permettant de produire la microstructure souhaitée. Quelques-uns des procédés sont détaillés dans cet article, depuis la classique utilisation d'agents nucléants favorisant une forte cristallisation en volume jusqu'au procédé moderne de cristallisation par irradiation laser permettant le design de vitrocéramiques à structures géométriques complexes 3D.

Le contrôle de la microstructure étant l'étape clé dans la conception de vitrocéramiques à propriétés particulières, il est nécessaire de pouvoir caractériser les modifications structurales lors du processus de cristallisation. L'apport des nombreuses techniques complémentaires (analyse thermique, diffraction, microscopie électronique, spectroscopie...) disponibles pour observer et caractériser l'organisation depuis l'ordre local jusqu'à l'échelle macroscopique est ainsi discuté et illustré.

Enfin, le large choix de compositions vitrifiables combiné au développement de diverses microstructures permet l'élaboration de vitrocéramiques à propriétés variées (propriétés thermiques, mécaniques, optiques, électriques, médicales, esthétiques, de stockage, énergétiques...). Les applications et les développements récents les plus remarquables sont détaillés dans cet article en s'attachant à établir le lien entre la microstructure de la vitrocéramique et les propriétés associées.

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KEYWORDS

consumer materials   |   optical materials   |   glass   |   ceramic   |   functional materials

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n4802


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3. Élaboration des vitrocéramiques

L'élaboration d'une vitrocéramique se déroule généralement en trois étapes :

  • choix de la composition du verre pour obtenir la phase cristalline souhaitée ;

  • synthèse du verre parent par un procédé de fusion (+ trempe éventuelle) puis mise en forme (moule) ;

  • cristallisation du verre, le traitement thermique de céramisation sera choisi selon le mécanisme de cristallisation engagé et la microstructure souhaitée.

3.1 Choix de la composition du verre

Le choix de la composition du verre est une étape importante de la conception d'une vitrocéramique : la composition doit avoir la capacité de conduire à une vitrification et elle est également à l'origine de la nature de la (ou des) future(s) phase(s) cristalline(s), du type de mécanisme de nucléation/croissance qui sera engagé et de la thermodynamique et de la cinétique du système étudié. Chaque composition possédant ses propres spécificités (§ 5), il est cependant difficile de prédire a priori les propriétés associées à une formulation donnée.

HAUT DE PAGE

3.1.1 Domaines de composition

L'étendue des domaines de composition des vitrocéramiques est très large. L'unique contrainte étant le passage par une étape vitreuse lors de la synthèse, les compositions possibles correspondent donc aux très nombreuses compositions vitrifiables.

Si les premières vitrocéramiques étaient exclusivement à base de silicates ou d'aluminosilicates (notamment d'alcalins et/ou d'alcalino-terreux), les compositions se sont progressivement complexifiées et élargies à d'autres formateurs de verre (phosphates, germanates...) et à l'incorporation de divers éléments...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - STOOKEY (S.D.) -   Corning glass work.  -  US patent, 2, p. 920-971 (1960).

  • (2) - HOLAND (W.), BEALL (G.H.) -   Glass-ceramic technology.  -  Ed. Wiley-Blackwell (2012).

  • (3) - Ouvrage collectif sous la direction de NEUVILLE (D.R.) CORMIER (L.), CAURANT (D.) et MONTAGNE (L.) -   Du verre au cristal : nucléation, croissance et démixtion, de la recherche aux applications.  -  EDP-Sciences, mai 2013.

  • (4) - ZANOTTO (E.D.) -   A bright future for glass-ceramics.  -  American Ceramic Society Bulletin, 89(8), p. 19-27 (2010).

  • (5) - DE RÉAUMUR (R.-A.F.) -   Mémoire sur l'art de faire une nouvelle espèce de porcelaine par des moyens extrêmement simples et faciles ou de transformer le verre en porcelaine.  -  Mémoire de l'Académie Royale des Sciences (1739).

  • (6) - ROMERO (M.), RAWLINGS (R.D.), RINCON (J.M.) -   Development...

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