Frittage réactif micro-ondes de céramiques : Exemple de la porcelaine et de l'hydroxyapatite carbonatée
Résumé
Le frittage des céramiques par chauffage micro-ondes (MO) est un procédé de chauffage rapide, qui permet de réduire les durées des traitements thermiques (par rapport au chauffage conventionnel). Le matériau s’échauffe par interaction avec l’onde électromagnétique. Cette interaction MO/matériaux dépend des propriétés du ou des matériau(x) à chauffer, en particulier les propriétés diélectriques et électriques pour la plupart des céramiques. Ces propriétés varient en fonction de la composition du matériau mais aussi de la température. Ainsi, le chauffage MO est un chauffage local et sélectif [1]. Ces caractéristiques peuvent être mises à profit pour le frittage de certaines céramiques, notamment le frittage réactif en température. Cette présentation mettra en avant les travaux récents menés au LGF sur le thème du frittage micro-ondes et plus particulièrement le frittage réactif de céramiques. Elle s’appuiera plus particulièrement sur les résultats issus de deux projets en cours : le projet ANR SiBio et le projet DeMAIN (mené dans le cadre du Campus des Métiers et des Qualifications d’Excellence Design Matériaux et Innovation Région AuRA). Le projet SiBio vise à produire des implants osseux biodégradables en hydroxyapatite carbonatée (CHA). Ce matériau présente un potentiel intéressant car la solubilité et la biodégradation peuvent être contrôlées par la quantité de groupements carbonate substitué dans la maille de l’hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2). Le frittage des CHA doit être réalisé dans une atmosphère riche en CO2 pour contrôler la carbonatation et éviter la décomposition de la phase apatitique [2]. Or, le chauffage conventionnel ne permet pas de contrôler les microstructures finales. Dans le cadre du projet SiBio, le frittage par chauffage micro-ondes sous atmosphère contrôlée est étudié comme un moyen de chauffage alternatif pour mieux contrôler la microstructure et la composition chimique finales des CHA. Des pièces en HA ont été frittées sous différentes atmosphères (contenant du CO2 et/ou de la vapeur d’eau). Les caractérisations des pièces frittées mettent en avant la possibilité de les densifier en modulant la quantité de carbonate substitué. Le projet DeMAIN s’intéresse à l’introduction de nouveaux procédés de mise en forme des matériaux métalliques et céramiques dans le domaine de l’artisanat (plus particulièrement les procédés de métallurgie des poudres). Les travaux réalisés au LGF portent plus spécifiquement sur la technique du cloisonné connue pour ses applications en orfèvrerie (cloisonné métallique) et en faïencerie (cloisonné céramique). Dans ce cadre, des pièces en porcelaine de différentes tailles et géométries ont été mises en forme par robocasting et frittées sous chauffage micro-ondes. Ces travaux mettent en évidence la possibilité de densifier des pièces de tailles millimétriques et centimétriques. Le suivi du frittage (température, puissances micro-ondes) et les caractérisations des pièces frittées permettent de mieux comprendre le comportement de la porcelaine sous micro-ondes, pour les différents types de pièces frittées [3]. Références bibliographiques [1] F. Valdivieso, S. Marinel, C. Manière, Frittage de céramiques par chauffage micro-ondes, Techniques de l’ingénieur, N4808 V1, 2021. [2] M. Peroglio, C. Meunier, J. Favre, J. Faucheu, C. Petit, A parametric study of conventional and high-speed microwave sintering of robocast porcelain, Open Ceramic 9 (2022) 100246. [3] C. Petit, A. Le Tiec, L. Pancrazi, N. Douard, Investigation of microwave sintering of B-type carbonated hydroxyapatite bioceramics, Solid State Phenomena 340 (2022) 119-130.