Frittage des céramiques — mécanisme et méthode de frittage

Le frittage est un procédé important en métallurgie des poudres, en céramique et dans le domaine des matériaux réfractaires. Il consiste généralement à chauffer une poudre, ou un matériau pulvérisé, à une température inférieure au point de fusion du composant de la matrice. Les molécules ou atomes à l'état solide s'attirent mutuellement, ce qui entraîne une migration de matière et confère à la poudre sa résistance. Ce processus conduit à sa densification et à sa recristallisation. La microstructure obtenue est composée de cristaux, de phases vitreuses et de pores.

Le frittage influe directement sur la microstructure du matériau, notamment sur la taille et la distribution des grains, la taille et la distribution des pores ainsi que la fraction volumique des joints de grains. Le mécanisme de frittage peut être résumé en deux aspects : la déformation plastique et la diffusion.

Le processus de frittage réel est assez complexe et peut être envisagé sous trois angles :

(1) Poudre : taille des particules, distribution granulométrique, forme des particules, pores à l'intérieur des particules, degré d'agglomération, identité des composants chimiques, capacité d'absorption et de dissolution des gaz, teneur en impuretés et performance de réaction.

(2) Contact sous pression : densité de tassement, distribution de la porosité, distribution de la taille de la porosité, effet de formation des particules et degré de cristallisation.

(3) Frittage : l'influence de la température, du gradient de température, du cycle de température, de l'atmosphère, de la deuxième phase solide, de la phase liquide sur l'activité de frittage et la pression.

Le frittage est traditionnellement considéré comme se composant de trois étapes :

(1) Stade initial de frittage. Le stade initial du frittage correspond généralement à la phase où la forme des particules et des vides reste relativement stable et où le retrait linéaire est inférieur à 6 %. La zone de contact du matériau fritté se transforme en liaison cristalline et forme un col de frittage. Par diffusion de surface et condensation-évaporation, une migration de matière se produit, ainsi qu'une diffusion volumique et une diffusion aux joints de grains, rapprochant progressivement les centres des particules. Le processus de diffusion de surface et de condensation-évaporation ne constituant qu'un transfert de matière, le matériau présente de nombreux pores et les joints de grains sont dans un état de faible énergie, ce qui empêche la croissance des grains et explique le faible retrait initial. Cependant, la résistance et les autres propriétés du corps fritté augmentent significativement grâce à l'accroissement de la surface de contact entre les particules. En présence d'une phase liquide, les particules se redistribuent et s'organisent de manière plus dense sous l'effet de la production de cette phase liquide à haute température. À ce stade, la forme et la taille des particules influent directement sur leur état d'accumulation et leurs contacts mutuels, et donc sur les performances du frittage. Bien que la conception initiale du frittage suppose généralement l'utilisation de deux billes de diamètre égal, ou de billes et de plans, comme modèles au début du processus, et que la vitesse de croissance du col au point de contact soit ensuite utilisée pour approximer la cinétique de frittage de l'ensemble formé, les particules sphériques initiales se déforment au fur et à mesure du frittage. Par conséquent, le modèle à deux billes n'est plus applicable, ni pendant ni après le frittage. D'autres modèles doivent être envisagés.

(2)Stade intermédiaire de frittage. Lors de ce stade, le col de filtration continue de croître, les vides se déforment et les pores cohérents entre les particules se rétrécissent par diffusion aux joints de grains et diffusion volumique. Les matériaux présents à la surface des pores migrent des zones de faible rayon de courbure vers les zones de grand rayon de courbure par diffusion de surface et condensation-évaporation, formant ainsi une porosité unique, comme illustré sur la figure. La surface du matériau présente une porosité ouverte, tandis que l'intérieur est une porosité fermée et isolée. Simultanément, les joints de grains se forment, amorçant la croissance des grains. La densité et la résistance augmentent significativement, et la densité relative du matériau peut atteindre 90 à 95 % en milieu de frittage. Dans le cas d'un frittage par phases, les particules fines et les aspérités de la surface des particules solides se dissolvent dans la phase liquide et précipitent à la surface des particules grossières.

(3) Étape de frittage. À un stade avancé du frittage, la plupart des vides se transforment en pores fermés isolés. Les pores aux joints de grains tendent à s'équilibrer grâce à la tension superficielle et à la tension intergranulaire. Les pores fermés se contractent pour former des sphères similaires, et leur nombre diminue considérablement. Par diffusion volumique, les grains internes croissent lentement et uniformément. Le mouvement des stomates favorise la densification le long des canaux intergranulaires, mais quelques stomates fermés subsistent. Quel que soit le stade du frittage, la taille macroscopique diminue et la densité augmente. Le taux de retrait ou la densité sont donc généralement utilisés pour mesurer le degré de frittage. Lors du frittage, la densification est principalement due à l'énergie de surface des particules, qui assure le transfert et la migration de matière. Cette énergie de surface est déterminée par la tension superficielle, la taille des particules, les aspérités et d'autres facteurs. La migration de matière pendant le frittage induit la densification et la croissance des grains. Lorsque la température augmente, la mobilité du matériau s'accroît, facilitant la croissance des grains. La formation des grains débute par la croissance par contact des particules. Lorsque le joint de grain se forme au niveau du collet et que sa largeur atteint la taille des petites particules, il les enveloppe plus rapidement, et deux particules fusionnent pour former un grain. La microstructure idéale consiste à contrôler la taille des grains afin de les rendre aussi petits et uniformes que possible, à éliminer la porosité due aux défauts et à obtenir une densité proche de la densité théorique, sans contraintes résiduelles. C'est pourquoi le frittage à basse température des matériaux céramiques suscite un intérêt croissant. De plus, la croissance des grains est également liée à leur taille : la taille moyenne des petites particules diminue, tandis que les grosses particules fusionnent et grossissent. Il existe une différence d'énergie libre ΔG de part et d'autre du joint de grain incurvé autour de la grosse particule. Par conséquent, le joint de grain migre vers le centre de courbure, favorisant ainsi la croissance des particules.

Avec le développement des techniques de préparation des poudres et l'apparition de poudres ultrafines et de haute pureté, les propriétés d'adsorption de gaz et de charge à la surface des particules sont devenues plus complexes. Par exemple, lors de l'utilisation de poudres ultrafines inférieures à 1 micron dans les céramiques techniques, la force motrice importante entraîne une accumulation et une croissance des particules dès le début du frittage, sans qu'une phase initiale de frittage soit observée, contrairement à ce qu'ont proposé Coble et al. L'émergence des nanotechnologies et de nouvelles techniques de frittage rapide, telles que le chauffage par plasma, le chauffage induit par plasma, le chauffage par impulsions laser, le chauffage par induction, le chauffage par décharge électrique et le frittage par micro-ondes, souligne la nécessité d'approfondir l'étude et le développement de la théorie de la génération de surfaces actives, basée sur une vitesse de chauffage rapide et relativement équilibrée, ainsi que du mécanisme et de la théorie du frittage des nanopoudres.

Fountyl Technologies PTE Ltd se concentre sur l'industrie de la fabrication de semi-conducteurs. Ses principaux produits comprennent : mandrins à broches, mandrins en céramique poreuse, effecteurs en céramique, poutres carrées en céramique, broches en céramique. N'hésitez pas à nous contacter pour toute négociation !