Physico-Chimie du Procédé d`élaboration de SiC poreux
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Physico-Chimie du Procédé d`élaboration de SiC poreux
TOP_B6 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 : • • • • 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