Densification par chauffage micro-ondes de bioceramiques ZTA – Influence de la composition des matériaux
Résumé
Les procédés de frittage rapide sont particulièrement adaptés à la production de biocéramiques, pour lesquelles une production de pièces avec des géométries adaptées aux patients est souhaitée. Parmi les procédés de frittage rapide, le frittage par micro-ondes (MO) est basé sur l'interaction entre le matériau et l’onde électromagnétique. L'interaction MO/matériau dépend fortement des propriétés du matériau. Le matériau Zirconia-Toughened Alumina (ZTA) est l’une des céramiques les plus utilisées dans le domaine médical car elle combine des bonnes propriétés mécaniques (ténacité, résistance à la rupture, dureté élevées) et une résistance élevée au vieillissement. L'alumine est un matériau diélectrique à faible perte et s’échauffe difficilement sous MO, surtout à température ambiante. La zircone a des propriétés diélectriques dépendantes de la température. En particulier, la zircone stabilisée avec 3 mol% Y2O3 s’échauffe fortement sous MO à partir d'une température critique. Le chauffage par MO d’une biocéramique ZTA peut donc être adapté en faisant varier la composition du matériau. La fraction volumique de zircone et le type de zircone utilisé (dopants et phases stabilisées) peuvent avoir une influence. Les dopants utilisés pour stabiliser les phases quadratiques ou cubiques de la zircone sont basés sur différents mécanismes de stabilisation (influence sur les défauts ponctuels). L’objectif de ce travail est d’étudier la densification par MO de biocéramiques ZTA avec différentes compositions (différentes fractions volumiques de zircone et différentes poudres de zircone dopée). Plusieurs échantillons de ZTA ont été préparés à partir de différentes poudres de zircone : non stabilisée et stabilisée avec 3 mol% Y2O3, 8 mol% Y2O3 et 10 mol% CeO2. Des pastilles ont été mises en forme par pressage et frittées dans une cavité MO multimodes instrumentée. Pendant le cycle thermique, les échantillons ont été placés dans une boîte isolante, avec ou sans suscepteur en carbure de silicium. L'évolution des puissances MO incidentes et absorbées a été enregistrée pendant les cycles thermiques. Les courbes de densification ont été tracées grâce à la dilatométrie optique. Tous les échantillons frittés sont denses et présentent des microstructures fines. Les caractéristiques des échantillons frittés varient peu pour les différentes compositions considérées. Par contre, des différences sont constatées entre les courbes de densification. Ces dernières subissent un déplacement vers les plus hautes températures en l’absence de SiC (en comparaison avec les courbes des échantillons frittés en présence de SiC), surtout aux stades initiaux et intermédiaires du frittage. Ces décalages dépendent de la composition du matériau. En l'absence de SiC, le chauffage par MO est plus difficile, mais cette difficulté peut être reliée à la composition du matériau. Ces résultats ont été confirmés par les courbes d’évolution de la température en fonction du temps obtenues en chauffant les échantillons dans une cavité monomode. Le comportement des composites ZTA sous MO est intermédiaire entre l'alumine monolithique et la zircone monolithique, mais dépend également du type de zircone utilisé.