Etude expérimentale et modélisation thermomécanique du frittage de l’alumine

Maxence Renaux^1, ⋆, Julien Pellé², Damien Méresse², Céline Morin², Courtois Christian³, Christelle Nivot³, Anthony Thuault^3
⋆ : maxence.renaux@uphf.fr
¹ LAMIH / LMCPA
² LAMIH
³ LMCPA
Mots clés : Micro-ondes, frittage, Alumine, Mécanique, Thermique
Résumé :

Le frittage micro-ondes des matériaux céramiques est étudié depuis les années 1970 mais connait un essor depuis quelques années. Ce procédé de chauffage possède plusieurs avantages par rapport aux procédés de frittage conventionnel. En effet, le volume de chauffage est très réduit, ce qui permet d’obtenir des rampes de température élevées (200^∘C/min) et des temps de palier courts, conduisant à une diminution de la consommation d’énergie (10⁶  J) comparée aux procédés conventionnels (plus de 10⁸  J).

Cette étude représente une partie d’un travail de thèse dont une des finalités est de développer un outil numérique prédictif pour étudier l’évolution des propriétés microstructurales, comme la densité et la taille de grain, d’un oxyde d’aluminium, l’alumine  Al₂O₃, fritté par micro-ondes, entre 1200^∘C et 1700^∘C en moins de 30 minutes, et de contrôler ses propriétés afin d’obtenir un matériau avec une porosité contrôlée. L’outil numérique est basé sur deux modèles qui permettent de simuler les phénomènes physiques intervenant au cours du procédé de frittage par micro-ondes.

Le modèle mécanique, développé sur ABAQUS avec une routine sous Fortran, en milieu continu, calcule l’évolution des grandeurs physiques (contrainte de frittage, taille de grain, …) au cours de la densification par micro-ondes.

Le modèle thermique, développé sur MATLAB, repose sur l’équation de diffusion de la chaleur avec des conditions aux limites de convection et de rayonnement. L’échantillon en alumine n’absorbant pas les micro-ondes en dessous de 700 ^∘C, il est nécessaire d’utiliser un anneau en Carbure de Silicium (SiC) qui absorbe les micro-ondes dès la température ambiante et chauffe l’échantillon principalement par rayonnement. Le modèle permet de calculer le champ de température au sein du matériau pendant le frittage en fonction des propriétés thermiques, les hétérogénéités de température pouvant influer les propriétés microstructurales au sein du matériau.

Les deux modèles sont ensuite couplés afin de prendre en compte les interactions thermomécaniques. Les densités de chaque élément du matériau, données par le modèle de frittage, sont injectées dans le modèle thermique nodal afin de recalculer les propriétés thermiques correspondantes. Le profil de température calculé est ensuite réintroduit en entrée dans le modèle de frittage pour la boucle suivante. Il est alors possible d’obtenir pour chaque itération l’évolution des propriétés du matériau par ce couplage faible. Les résultats obtenus sont alors comparés aux densités expérimentales mesurées par pesées hydrostatiques après le frittage par micro-ondes sur l’alumine.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-009

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