Etude de la cristallisation et des propriétés mécaniques et diélectriques de céramiques préparés à partir de Kaolin-dolomite

Abstract

The aim of this work is the preparation of dense ceramics mainly based on cordierite and anorthite crystals from appropriate composition of kaolin and dolomite mixtures (10, 14 and 18wt% of CaOMgO); and the study of their physical properties and microstructures. The first step, we try to characterise our starting materials, kaolin has been find as halloysite, form of clay witch are a mineral with nanometric sizes and tubular morphology. The activation energy of both deshydroxylation and recristallisation processes are respectively: 160 and 844 KJ.mol-1. To have ceramics with cordierite and anorthite as major phases, two methods of preparation has been followed, the first one is a classical method witch the steps resume on, mixing and milling the starting materials, drying, forming on hydrostatic pressure and sintering at different temperatures. The qualitative analyses of the recristallisation process for kaolin and dolomite mixtures are on good agreement with the results of the literatures. For all the composition of dolomite addition we obtain after thermal treatment a dense ceramics with only two major phases cordierite (2MgO·2Al2O3·5SiO2) and anorthite (CaO·Al2O3·2SiO2). However, on the surface of the sintered sample exits a high concentration of microcracks witch results from the simultaneous occurrence of sintering and crystallisation. The second method of preparation consist of the precalcination of the mixture powder at different temperatures 1100, 1200 and 1300°C to eliminate the negative effect of crystallisation on the sintering processes. After calcinations the powder are energetically milled in a planetary ball milling, formed hydrostatically and sintered. Moreover the high density attained and the absence of open porosity. These materials present a very fine microstructure, a low thermal expansion coefficient and more important, a very good elastic properties on thermal cycles. Indeed, the assessment of the variation of The Young modulus with temperature by an ultrasonic pulse echography (US Echo) in long bar mode, show the absence of the hysteric loop between heating and cooling cycle, witch characterize a good resistant of our materials for damage. Le but de ce travail est la préparation de céramiques à base de cordiérite-anorthite à partir de matières premières algérienne, le kaolin et 10, 14 et 18% en masse de dolomite. Aussi on a fait l’étude de leurs propriétés physiques et microstructurales. En premier lieu nous avons caractérisé nos matériaux de départ, on a définit notre kaolin comme étant de l’halloysite, minérale de taille nanométrique et de forme tubulaire. Les énergies d’activation de la déshydroxylation ainsi que de la recristallisation du kaolin ont été mesurées par analyse thermique différentielle et correspondent respectivement aux valeurs : 160 et 844 KJ.mol-1. Pour la préparation de céramiques à base de cordiérite et d’anorthite, deux procédés d’élaboration ont été proposés. Le premier est classique, il consiste à faire la mixture et le broyage du mélange kaolin-dolomite, séchage, mise en forme par pressage hydrostatique et frittage à différente température. L’analyse quantitative du processus de recristallisation du mélange kaolin-dolomite a été abordée et les résultats sont en bon accort avec la littérature. Pour les trois compositions choisies (10, 14 et 18% en masse de dolomite) on obtient après traitement thermique des céramiques denses base essentiellement de cordiérite et d’anorthite. La surface des échantillons présentent cependant des microfissures qui sont due à la simultanéité des processus de cristallisation et de frittage. La deuxième méthode suivie consiste à faire une précalcination de la poudre pour éliminer l’influence négative de la cristallisation lors du frittage. Après calcination aux températures 1100°C, 1200°C et 1300°C les poudres obtenues sont broyées énergétiquement dans un broyeur planétaire, mis en forme et frittés. En plus du fort taux de densification obtenue et l’absence totale de porosité ouverte, ces matériaux présentent une très fine microstructure, un bas coefficient de dilatation et chose essentielle des propriétés élastique remarquable lors des cycles de chauffe. En effet le suivi de l’évolution du module de Young par écographie ultrasonore en mode barre longue ne présente presque aucune hystérésis entre le cycle de chauffe et de refroidissement, ce qui est une caractéristique de la très faible aptitude à l’endommagement de ce matériau. الهدف من هذا العمل هو تحضير خزفيات مكونة اساسا من طوري الكوردريت و الانورثيت انطلاقا من مواد اولية جزائرية: الكاولان و الدولوميت وفق النسب (10%، 14% و 18% وزنا من CaO MgO) كذلك تمت دراسة بعض الخصائص الفيزيائية و البنية المجهرية لهذه الخزفيات. في اول الامر قمنا بتحليل موادنا الاولية وقد تم الكشف على ان الكاولان عبارة على صلصال الهالوازيت ذات الابعاد النانومترية و البنية المرفولوجية الانبوبية. ثم قمنا بحساب طاقة التنشيط لكل من ظاهرتي فقدان الماء و الكحول البنيوي و تعطى قيم كل منها على التوالي 160KJ/MOL و 844 KJ/MOL. من اجل تحضير خزفيات ذات اساس كوردريتي و انورثيتي، قمنا بتتبع طريقتان للعمل. الاولى كلاسيكية و تتمثل في خلط الكولان مع الدولوما، تجفيف المزيج، تشكيل الهيئات تحت ضغط احادي الاتجاه و المعالجة الحرارية للتشييد. من اجل كل النسب المختارة ( 10%، 14% و 18% وزنا من CaO MgO) نحصل بعد التلبيد على عينات ذات كفاءة معتبرة مكونة اساسا من الكوردريت و الانورثيت لكن بالمقابل يظهر على سطح العينات تفسخات و انشقاقات ميكرومترية دلالة على تراكب عمليتي التلبيد و البلورة. الطريقة الثانية المتبعة تعتمد على كلسنة اولية للمزيج كاولان-دولوما عند درجات حرارة عالية (1100°C، 1200°C، 1300°C) و ذلك حتى نتخلص من تراكب ظاهرتي التبلور و التلبيد. نسحق بعدها المركب سحقا قويا باستعمال جهاز السحق الكوكبي، يتم تجفيف المسحوق و تشكيله ثم تلبيده. بالاضافة الى الكثافة العالية المتحصل عليها و خلو العينات من الفراغات المفتوحة، تظهر هذه العينات في بنيتها المجهرية حبيبات ميكرومترية، معامل تمدد حراري ضعيف و بالاخص و الاهم خصائص مرونية مميزة خلال عملية التسخين. اذ عند دراسة تغير معامل يونغ مع التسخين عن طريق جهاز الامواج الفوق الصوتية نلاحظ انعدام ظاهرة الهسترة خلال دورة التسخين و التبريد و هذه ميزة خاصة تشير الى مدى مقاومة عيناتنا للضرر او التلف.