Service de Physique de l'Etat Condensé
Le frittage constitue une étape importante dans la fabrication des matériaux céramiques. Quelle que soit la nature du matériau céramique considéré et son champ d’application (céramique nucléaire, céramique pour piles à combustible,…), l’une de ses caractéristiques essentielles réside dans sa microstructure (taille et forme des grains, répartition de la porosité résiduelle). Les propriétés physico-chimiques du matériau considéré dépendent directement de cette microstructure.
Nous avons examiné le rôle des conditions de frittage sur le matériau La1.95Sr0.05Zr2O6.975, envisagé comme électrolyte pour pile à combustible à conduction protonique [1]. Les méthodes de frittage conventionnel (UP Uniaxial Pressing, IP Isostatic Pressing , HP Hot Pressing) conduisent à l’obtention de pastilles peu denses (densités relatives comprises dans la gamme 46% à 78%) avec un grossissement de la taille de cristallites conséquent (75-235 nm). De plus, les expériences de diffraction des rayons X et les analyses par faisceau d’ions ont mis en évidence une décomposition de surface des pastilles obtenues (Figure 1). La méthode par frittage flash (SPS Spark Plasma Sintering) a permis d’obtenir des pastilles totalement densifiées (96%) avec une taille de cristallites de l’ordre de la centaine de nanomètres. La Figure 2 reporte les tailles de cristallites (calculées à partir de la loi de Williamson-Hall) et les compacités obtenues pour chacune des pastilles frittées.
Figure1- Cartographies élémentaires extraites des spectres RBS et PIXE sur la section d'une coupe transverse de pastille frittage HP-1500°C (faisceau de 4He à 3MeV).
La conductivité ionique de la pastille SPS-1500°C est de trois ordres de grandeur plus élevée que la pastille HP-1500°C (σHP = 3.18 10-7 S.cm-1 et σSPS = 1.87 10-4 S.cm-1 à 740°C, densités relatives respectivement de 78% et 96%). La prise en compte de la porosité résiduelle du matériau peut être corrigée en appliquant l’équation proposée par Vishjager [2] ; cependant, cette dernière ne suffit pas à expliquer cet écart. Une diminution du nombre de lacunes d’oxygène dans le matériau fritté par frittage conventionnel peut être à l’origine de cette diminution de conductivité ionique [3].
Figure2- Evolution de la taille des cristallites et des compacités en fonction de la méthode de frittage.
References:
[1] D. Huo, D. Gosset, D. Siméone, G. Baldinozzi, H. Khodja, B. Villeroy, and S. Surblé, Solid State Ionics, vol. 278, pp. 181–185, 2015.
[2] D. J. Vischjager, A. A. van Zomeren, J. Schoonman, I. Kontoulis, and B. C. H. Steele, Solid State Ionics, vol. 40–41, Part 2, pp. 810–814, Aug. 1990.
[3] N. Q. Minh, Journal of the American Ceramic Society, vol. 76, no. 3, pp. 563–588, Mar. 1993.
Contact CEA : Suzy Surblé.
• › Caractérisation de matériaux pour l'énergie / Characterization of materials for energy
• IRAMIS: Saclay Institute of Matter and Radiation • Service Interdisciplinaire sur les Systèmes Moléculaires et les Matériaux • UMR 3685 NIMBE : Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Énergie
• Laboratory for light element studies • Laboratoire d'Etude des Eléments Légers (LEEL)
