Physico-Chimie du Procédé d`élaboration de SiC poreux

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Physico-Chimie du Procédé d'élaboration de SiC poreux
Amélioration des connaissances sur la composition et la réactivité de la phase gazeuse générée par un mélange de poudre de
SiC , Si, SiO2, C. Etude thermodynamique et hors équilibre de l’évaporation et de la condensation, étude cinétique dans un
gradient thermique.
C. Chatillon, F. Baillet
Mots clés : Thermodynamique, réactions gaz – solide, cinétique
Objectifs
En partant des déterminations expérimentales faites par
P. Rocabois (1993) et les observations réalisées dans le
cadre du stage post-doctoral de Corinne Sartel dans l'étude
de la recristallisation de SiC, il semble que le transfert du
SiC lors de la recristallisation se fasse grâce à la réaction
suivante :
SiC (s) + 2 SiO2 (s) <=> 3 SiO (g) + CO(g)
Kp .
(1)
Lorsque les pressions de CO et SiO sont faibles, on
évapore le SiC, lorsqu'elles sont fortes on condense le SiC.
Cet réaction principale permet de décrire le transfert du
SiC dans les procédés de recristallisation en zone de
température intermédiaire.
L'étude réalisée dans le cade du stage post doctoral montre
clairement à travers des calculs thermodynamiques et des
expériences, que le déplacement dans un sens ou dans
l'autre de cet équilibre (caractérisé par un degré de
déplacement de cet équilibre) est fortement affecté par
plusieurs paramètres agissant en même temps :
- la composition du mélange réactif (SiC, C, SiO2, Si)
- le polytype du SiC
- les additifs SiO2, Fe2O3
- la nature cristalline de ces additifs (quartz, fumée de
silice)
- la pression imposée dans le réacteur par un gaz
neutre.
Les calculs thermodynamiques donnent les tendances
attendues mais ne permettent pas de quantifier les
évolutions réelles dans les réacteurs à cause des différents
"freins" cinétiques qui peuvent agir sur l'évolution et sur
les valeurs de pressions partielles atteintes des gaz SiO et
CO.
Le travail de thèse de Gabriele Honstein (Convention
CIFRE avec Saint Gobain) consiste à comprendre les
mécanismes de croissance d’une part et de consolidation
mécanique d’autre part des poreux de SiC, matériaux de
base des filtres à particules pour motorisation Diesel. Ces
poreux sont constitués de particules de SiC de deux tailles
– des fines de diamètre de l’ordre de 1 microns en mélange
avec des particules plus grosses de l’ordre de 10 microns.
Le « frittage » de ces mélanges permet d’obtenir des pores
de l’ordre de 10 microns obtenus par la fabrication de
ponts ou jonctions en principe construits à partir des
particules fines entre les particules plus grosses. La chaîne
de fabrication est constituée d’un four tubulaire long, ayant
un profil de température allant de l’ambiante à quelques
2000 – 2200°C et fonctionnant sous une atmosphère
d’argon de l’ordre de 100 mbar. C’est le traitement
thermique des crus qui va conduire à la pièce définitive à
travers diverses étapes du traitement.
Le diagnostique des mécanismes assurant la consolidation
des pièces a conduit les responsables de la thèse à
entreprendre un travail qui doit corréler les phénomènes de
vaporisation et de transport par les gaz ou vapeurs avec les
phénomènes de croissance de cristaux de SiC.
L’addition d’ajouts de frittage ou simplement la présence
d’impuretés résiduelles dues aux étapes de préparation des
poudres – silice native ou additionnelle, résidus carbonés
de la phase de calcination ou impuretés métalliques de
concassage plus ou moins oxydées – ont orienté la travail
de thèse sur le comportement à la vaporisation de
mélanges de poudres de SiC + Silice dans les différentes
phases de traitement allant de la phase de calcination à
celle de consolidation, c'est-à-dire entre 500°C et 2200°C.
L’amplitude de cette gamme nous a amené à envisager
plusieurs moyens d’étude dont nous pouvons établir après
un an de travail les domaines d’application listés cidessous :
•
•
•
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Thermodynamique de la vaporisation de
mélanges SiC-SiO2 et plus généralement du
système ternaire Si-C-O
Etude par Spectrométrie de Masse à Haute
Température (SMHT) de la vaporisation de
mélanges SiC-SiO2 dans le
domaine des
températures intermédiaires 1100 -1400°C
Etude par Spectrométrie de Masse sur
prélèvement capillaire des dégagements de CO(g)
dans la zone des températures élevées – 1500 –
1800 voire 2000°C
Caractérisations des poudres avant, en cours et
après traitements observées par spectrométrie de
masse en vue d’analyser a posteriori les
phénomènes de croissance en relation avec la
composition des phases vapeurs observées.
Publications significatives
MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon,
France
Vaporisation de SiC-SiO2 et recrystallisation de SiC
Gabriele Honstein, Christian Chatillon, and Francis Baillet
Laboratoire de Thermodynamique et Physico-Chimie
Métallurgiques E.N.S.E.E.G
High Temperature Materials Chemistry, HTMC-XII,
17-22 sept. 2006, Vienna, Autria
High temperature mass spectrometric Study of the
interactions in the SiC-SiO2-system
Gabriele Honstein, Christian Chatillon, and Francis Baillet
----------------------------------------------------------------------Groupe(s) : TOP, SIR
Fiche signalétique
1 Post doc (C. Sartel), 1 thèse Cifre G. Honstein (2005-2008)
Soutien industriel : St Gobain , Période de réalisation : 2004-2008