Frittage de céramiques par chauffage micro-ondes

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...