Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS)

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Suspensions et Procédés

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Arnaud VIDECOQ : arnaud.videcoq unilim.fr


Contexte/objectifs

Le groupe travaille autour des procédés de mise en forme des céramiques selon deux axes :
  • une recherche fondamentale amont, qui vise à mieux comprendre et maîtriser la structuration des suspensions colloïdales. Cette dernière influence les propriétés d’écoulement (e.g. la rhéologie) et in fine les propriétés des pièces. Notre approche consiste à établir un lien entre la chimie de surface de particules modèles et la structuration des suspensions associées, sur des bases théoriques (simulations numériques) et expérimentales.
  • l’optimisation des procédés classiques (coulage en bande, extrusion, electrophorèse…) et le développement de procédés originaux de mise en forme qui s’appuient en partie sur l’approche fondamentale. Dans ce contexte, nous mettons l’accent sur les procédés de prototypage rapide.


Activités

Suspensions

Simulations numériques / rhéologie

Des simulations du comportement de particules céramiques en suspension dans un liquide sont mises en place en collaboration avec Riccardo Ferrando (Université de Gênes, Italie) et Tapio Ala-Nissilä (Université d’Helsinki, Finlande). Il s’agit de simulations de type Brownian Dynamics (BD) et Stochastic Rotation Dynamics (SRD). Au contraire de la BD, la SRD permet de prendre en compte les effets hydrodynamiques.

Lorsqu’un seul type de particules est présent au sein de la suspension, la théorie DLVO donne une idée de la tendance des particules à s’agglomérer ou à rester dispersées. En revanche, lorsque la suspension contient des particules de différents types, il est difficile de prédire sa stabilité uniquement par la théorie DLVO. La simulation numérique aide à comprendre quels sont les paramètres qui régissent la stabilité des suspensions, les phénomènes d’hétéro-aglomération et dans une certaine mesure la rhéologie.

Les résultats des simulations numériques sont comparés à la structuration de suspensions colloïdales modèles, marquées en fluorescence. Les particules modèles à chimie de surface adaptée sont synthétisées spécialement au laboratoire par des procédés Stöber modifiés. Expérimentalement, la structuration des suspensions est caractérisée à l’aide de techniques telles que le cryo-MEB, la microscopie confocale et la diffusion de la lumière.

Hétéro-agglomération de particules type-silice (rouge) et type-alumine (vert) à pH 5,5 sous l’effet de charges de surface opposées dans des suspensions concentrées à 3%vol ("R" masse de silice / masse totale d’oxyde et "Phi" fraction vol. de solide dans les sédiments)
Granulation par voie colloïdale

Les procédés par voie colloïdale offrent la possibilité d’élaborer des composants denses à architecture complexe en contrôlant précisément la structure initiale de la suspension et son évolution pendant la fabrication. Ces techniques de mise en forme demandent le plus souvent la préparation de suspensions contenant une forte teneur en solide et donc la maîtrise de la dispersion de la poudre dans la phase liquide. Mais avec des nanopoudres ou des poudres de surface spécifique supérieure à 50 m2.g-1, des concentrations élevées en solide sont difficiles à obtenir et l’utilisation de suspensions diluées couplées avec des méthodes de mise en forme innovantes constitue une alternative pour arranger ces poudres. Dans ce contexte, nos recherches sur la formulation de suspensions aqueuses d’oxydes ont eu pour thème principal la sélection d’additifs permettant de modifier la surface des grains de poudre afin de les agglomérer de façon contrôlée.

Hétéro-agglomération de nanopoudres deTiO2 et de microsphères de Latex :
a) Distribution de sphères (porosité : 80%vol.), b) Porosité induite par la pyrolyse du latex (32%vol, d=4µm),
c) Porosité intergranulaire (37% vol., 20nm<d<800nm, d) Porosité intragranulaire (10% vol,d=8nm)

Procédés de mise en forme innovants - prototypage rapide

Stéréolithographie

Dans la logique de l’élaboration de pièces céramiques directement aux formes et aux cotes finales avec une précision dimensionnelle élevée (net-shape forming) et de la réalisation d’architectures spécifiques conduisant à des propriétés nouvelles et/ou améliorées, nous avons développé une technique innovante de fabrication numérique : la stéréolithographie. Ce procédé, connu dans le domaine des polymères, présente des atouts majeurs comme la complexité et la précision des objets obtenus ainsi que la facilité de mise œuvre ne nécessitant pas l’utilisation d’un moule. La stéréolithographie consiste à construire une pièce 3D couche par couche. Un racleur effectue la mise en couche, jusqu’à de très faibles épaisseurs (25µm), de suspensions constituées de poudres céramiques dispersées dans un système réactif. Un faisceau laser UV, piloté à partir du fichier CAO de la pièce, consolide alors par polymérisation une surface programmée sur chaque couche. La polymérisation assure également la liaison entre les couches successives. Lorsque l’empilement des couches est terminé, la pièce crue est retirée du volume non polymérisé, déliantée puis frittée.

 
Implant crânien en hydroxyapatite (HAP), fabriqué par stéréolithographie
Collaboration avec le CHU de Limoges
  Réseau périodique pour antenne à bande photonique interdite (Al2O3)
Collaboration avec XLIM
Impression jet d’encre
L’impression jet d’encre, développée au laboratoire depuis 2001, vise la réalisation de structures tridimensionnelles. Les travaux antérieurs avaient démontré la faisabilité de structures de micropiliers céramiques de haute définition (de l’ordre de 40µm) à partir de suspensions colloïdales de titano-zirconate de plomb (PZT). Ces travaux ont conduit à la création d’une spin-off (Ceradrop aujourd’hui 13 employés) en mars 2006 exploitant le savoir-faire du laboratoire à partir d’une licence exclusive sur un brevet CNRS. Depuis 2006, cette thématique s’est orientée vers la faisabilité de structures multimatériaux, voire multifonctionnelles, en se développant selon deux axes :
  • la faisabilité de composants céramique/métal pour la microélectronique ou l’électronique de puissance à partir de suspensions colloidales.
  • la réalisation de réseaux de microplots de silice mésoporeuse fonctionnalisée à partir de sols (e.g. applications biocapteurs). Cette activité, initiée dans le cadre du REX FAME, est menée en étroite collaboration avec les collègues du LCMC (Equipe de Clément Sanchez, Collège de France) et de l’ICG (Equipe de Michel WONG CHI MAN, Montpellier). Elle consiste à coupler chimie click, auto-assemblage induit par évaporation (EISA) et impression jet d’encre.
 
Réseau de microplots de silices mésostructurées et fonctionnalisés obtenus par jet d’encres   Image MET de la mésoporosité organisée de façon lamellaire au sein des microplots de silice


Faits marquants

  • Simulations numériques (BD, SRD) permettant de prédire la structuration des suspensions colloïdales - Application à la mise en forme par hétéro-agglomération
  • Croissance des activités liées au prototypage rapide
    • Stéréolithographie en liaison avec la Société 3DCeram
    • Impression jet d’encre en liaison avec la Société Ceradrop
    • Développement de la technologie dite Aerosol Deposition Method en liaison avec le CTTC (Centre de Transfert de Technologies Céramiques - Labellisé CRT)

Mis à jour le 26 juin 2012

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