Article

1 - OBSERVATIONS EXPÉRIMENTALES DU FRITTAGE

2 - LES DIFFÉRENTES ÉTAPES DU FRITTAGE EN PHASE SOLIDE

3 - MODÉLISATION DU FRITTAGE EN PHASE SOLIDE

4 - ÉVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE AU COURS DU FRITTAGE

5 - CAS PARTICULIER DES CÉRAMIQUES

6 - CHIMIE ET FRITTAGE

Article de référence | Réf : AF6620 v1

Frittage : aspects physico-chimiques - Partie 1 : frittage en phase solide

Auteur(s) : Didier BERNACHE-ASSOLLANT, Jean-Pierre BONNET

Date de publication : 10 juil. 2005

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

Version en anglais En anglais

RÉSUMÉ

Cet article est consacré au frittage en phase solide, un des trois types de frittage couramment distingués, après la vitrification et le frittage en phase liquide. Au cours du frittage en phase solide, tous les constituants  restent solides et la densification est produite par la soudure et le changement de forme des grains. Les différentes étapes de ce frittage sont décrites, ainsi qu’une approche de modélisation. L’évolution de la microstructure au cours du frittage est détaillée, dans le cas de la diffusion d’une seule espèce, mais également pour un composé ionique binaire. Pour terminer, l’ajout de composés chimiques dans le but d’accélérer le frittage est évoqué.

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

Lire l’article

Auteur(s)

  • Didier BERNACHE-ASSOLLANT : École nationale supérieure des mines (Saint-Étienne)

  • Jean-Pierre BONNET : École nationale supérieure de céramique industrielle - Groupe d’étude des matériaux hétérogènes (Limoges)

INTRODUCTION

Le frittage peut être décrit comme le passage d’un compact pulvérulent à un matériau cohérent sous l’action de la chaleur. Au cours de cette transformation, la forme de la pièce est conservée, son volume en général diminue (phénomène de retrait). La consolidation du compact s’effectue par la formation de liaisons entre les grains ; s’il y a fusion au cours du frittage, celle‐ci ne peut être que très localisée afin de conserver une cohérence à l’ensemble de la pièce. Pour les matériaux réfractaires, ou ceux qui se décomposent avant de fondre, le frittage est un moyen incontournable pour produire des pièces à des températures inférieures aux températures de fusion ou de décomposition ; en contrepartie, dès que l’on chauffe une poudre à des températures élevées, le frittage qui se produit a tendance à souder les grains, diminuer la surface réactive avec l’extérieur et souvent s’opposer à la réactivité de la poudre (baisse d’activité d’un catalyseur, par exemple).

Avant l’étape de frittage, la pièce est mise en forme par des techniques qui dépendent de ses dimensions et de sa complexité : le pressage uniaxial pour les formes simples cylindriques, le coulage pour les pièces creuses, l’injection pour des pièces de précision. La pièce ainsi préparée dite pièce en cru (ou vert) est ensuite consolidée et densifiée par le traitement thermique de frittage. D’un point de vue technologique on distingue le frittage naturel effectué sans contrainte mécanique (chauffage sous air ou sous atmosphère contrôlée), du frittage sous charge effectué en appliquant une pression extérieure simultanément au chauffage. Ce dernier est particulièrement utilisé pour les matériaux difficiles à fritter ou pour obtenir des densités proches de la densité maximale théorique.

D’un point de vue physico-chimique, on distingue trois types de frittage suivant les réactions qui se produisent à l’intérieur du comprimé :

  • le frittage en phase solide, au cours duquel tous les constituants restent solides. La densification est produite par la soudure et le changement de forme des grains. Ce frittage peut donc être monophasé à un constituant ou polyphasé. On peut, de façon ponctuelle, ajouter des additifs qui permettent, sans créer de phase liquide, d’accélérer la densification. Ce mode de frittage est particulièrement utilisé pour les céramiques techniques dont la pureté des joints de grains est importante pour les propriétés d’usage : thermomécaniques (outils de coupe, barrières thermiques, combustible nucléaire), électriques ou magnétiques (diélectriques, varistances, supraconducteurs), optiques, voire biologiques ;

  • la vitrification qui correspond à l’apparition d’une phase vitreuse importante lors du chauffage, la quantité est alors suffisante pour combler la porosité. Ce procédé est largement utilisé pour densifier les céramiques dites traditionnelles telles que les porcelaines... L’obtention d’une phase liquide en plus de la phase solide nécessite la réaction entre plusieurs constituants ou la fusion de l’un d’eux à l’exclusion des autres ; c’est donc un frittage polyphasé à plusieurs constituants. Ce cas sera traité conjointement au frittage en phase liquide ;

  • le frittage en phase liquide (cf. dossier suivant Frittage : aspects physico-chimiques- Partie 2 : frittage en phase liquide) pour lequel la quantité de liquide qui apparaît est juste suffisante pour permettre le réarrangement des particules, former des ponts liquides entre les grains et les amener ainsi au contact les uns des autres. Ce type de frittage est lui aussi polyphasé ; il fait appel à la réaction entre plusieurs constituants chimiques. Les propriétés des céramiques obtenues par ces deux derniers procédés de frittage sont conditionnées par la nature de la phase liquide qui forme les joints de grains au refroidissement. La densification, si elle se produit, nécessite d’autres mécanismes qui seront détaillés par la suite.

Si le matériau après frittage a la même composition chimique que la poudre initiale, on parle de frittage non réactif ; c’est le cas le plus général. Dans certains cas particuliers, la poudre initiale peut être composée d’un mélange de deux (ou plusieurs) composés chimiques ; dans ce cas, le traitement thermique permet, d’une part de former un nouveau composé chimique, d’autre part de densifier ce nouveau matériau ; on parle alors de frittage réactif. La figure 1 présente les différents types de frittage. Nous présenterons, dans ce dossier, le frittage en termes physico-chimiques, ainsi que les méthodes expérimentales associées.

Nota :

Des compléments, notamment sur l’aspect mise en forme (pressage, coulage, injection...), pourront être trouvés dans différentes revues bibliographiques [1] [2] [3] [4] en .

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% 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.

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af6620

CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :

Accueil Ressources documentaires Sciences fondamentales Physique Chimie Fondamentaux en chimie Frittage : aspects physico-chimiques - Partie 1 : frittage en phase solide

Accueil Ressources documentaires Matériaux Mise en forme des métaux et fonderie Métallurgie des poudres Frittage : aspects physico-chimiques - Partie 1 : frittage en phase solide

Accueil Ressources documentaires Mécanique Travail des matériaux - Assemblage Procédés de fabrication additive Frittage : aspects physico-chimiques - Partie 1 : frittage en phase solide

Accueil Ressources documentaires Matériaux Verres et céramiques Céramiques : propriétés et élaboration Frittage : aspects physico-chimiques - Partie 1 : frittage en phase solide


Cet article fait partie de l’offre

Fabrication additive – Impression 3D

(54 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

Version en anglais En anglais

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.

Cet article fait partie de l’offre

Fabrication additive – Impression 3D

(54 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
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GERMAN (R.M.) -   *  -  Sintering theory and practice, J. Wiley & Sons., New York (1996).

  • (2) - BERNACHE-ASSOLLANT (D.) -   *  -  Chimie- physique du frittage, Hermès, Paris (1993).

  • (3) - SHAW (N.J.) -   Densification and Coarsening during solid state sintering of ceramics : A review of the models. I Densification.  -  Powder Met. Int., 21(3), p. 16-21 ; II Grain Growth, 21(5), p. 31-35 ; III Coarsening, 21(6), p. 25-29 (1989).

  • (4) - YAN (M.F.) -   Effects of physical, chemical and kinetic factors on ceramic sintering.  -  In Ceramic Powder Science, Advances in Ceramics, 21, The Am. Ceram. Soc. Inc, p. 635-669 (1987).

  • (5) - BREGIROUX (D.) -   Synthèse par voie liquide et étude du frittage de la monazite au lanthane LaPO4 .  -  CEA NT SEP03/220.

  • (6) - DEFAY (R.), PRIGOGINE (I.) -   Tension superficielle...

ANNEXES

  1. 1 Thèses

    1 Thèses

    * - Outre les références pour le dossier AF 6620 et pour le dossier AF 6621, le lecteur pourra aussi consulter les thèses suivantes.

    NANA KOUMTOUDJI (G.L.) - Transformations thermiques, organisation structurale et frittage des composés kaolinite-muscovite. - Université de Limoges, faculté des Sciences et Techniques (2004).

    LAFON (J.-P.) - Synthèse, stabilité et frittage d’hydroxyapatites carbonatées. - Univertisité de Limoges (2004).

    LOUET (N.) - Influence du dopage à la silice ou à l’oxyde de calcium sur le frittage et sur l’évolution microstructurale d’une alumine et ultra pure. - INSA (2003).

    Le HÔ (A.S.) - Effet de l’adjonction de bore sur les mécanismes de frittage de poudres d’un superalliage base nickel : application aux procédés de brasage-diffusion pour le rechargement de pièces de turbines aéronautiques. - Université de Poitiers, faculté des Sciences fondamentales et appliquées (2003).

    HERBST (F.) - Transformation – frittage d’alumines de transition nanostructurées : rôle des conditions de mise en forme du cycle thermique, de l’ensemencement et du dopage. - Université de Paris-Sud (2002).

    CLEMENTZ (P.) - Contribution à la modélisation du frittage avec phase liquide utilisant la théorie de l’homogénéisation. - Université de Franche- Comté, UFR des Sciences et Techniques (2002).

    CANALE (P.) - Étude des mécanismes du frittage d’un composite à matrice métallique et à dispersoïdes de diamant. - Université de Paris-Sud (2001).

    POLETTI (A.) - Contribution à l’étude du frittage des mélanges UO2+x– CeO2 traités sans atmosphère oxydante : comparaison avec le système UO2+x– PuO2 . - Université de Limoges, faculté des Sciences et Techniques (2001).

    GENDRON (D.) - Étude numérique et expérimentale...

    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

    Fabrication additive – Impression 3D

    (54 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