Causes et effets des gradients thermiques et microstructuraux dans les céramiques frittées flash. Crédit :WMG, Université de Warwick
Le frittage flash est une technique de traitement de la céramique qui utilise le courant électrique pour chauffer intensément l'échantillon de céramique à l'intérieur plutôt que d'utiliser uniquement un chauffage de four externe. Le processus peut réduire considérablement les températures et les durées de traitement de la céramique, permettre le co-traitement de la céramique avec des métaux ou d'autres matériaux, et la réduction de la consommation d'énergie.
Cependant, le processus peut entraîner des céramiques de mauvaise qualité en raison de faiblesses causées par des inhomogénéités dans la microstructure.
Les origines de ces inhomogénéités causées par les gradients thermiques dans le matériau lors du frittage flash ont été étudiées par des chercheurs basés à WMG, Université de Warwick et collaborateurs académiques et industriels, et des itinéraires pour atténuer les effets de ces gradients sont décrits.
L'adoption de ces itinéraires de frittage flash modifiés permettra une utilisation plus large du frittage flash dans le traitement de la céramique, permettant une production d'énergie plus faible de nombreux produits céramiques utiles, y compris les batteries à semi-conducteurs.
La densification des céramiques par frittage flash réduit la consommation d'énergie et peut être utilisée pour améliorer la viabilité de la fabrication de structures céramiques complexes telles que celles requises pour les batteries à semi-conducteurs en abaissant les températures et en raccourcissant la durée du traitement thermique.
En collaboration avec des partenaires académiques et industriels, chercheurs de WMG, L'Université de Warwick a publié une revue de l'état de l'art du frittage flash en se concentrant sur la formation de régions inhomogènes au sein de la céramique qui limitent actuellement le potentiel de mise à l'échelle du frittage flash. La revue conclut que les gradients thermiques sont responsables des inhomogénéités microstructurales et suggère des voies pour éliminer ou réduire ces effets.
Le développement microstructural change avec différentes approches de frittage. Le frittage flash produit des microstructures fines à très haute densité avec une consommation d'énergie plus faible que les approches conventionnelles. Crédit :WMG, Université de Warwick
La réduction de la consommation d'énergie dans l'industrie de la fabrication de céramique est une étape clé pour atteindre les objectifs mondiaux de réduction des émissions, car les procédés conventionnels nécessitent de longs traitements de cuisson à très haute température. Plusieurs procédés à basse énergie ont été développés au cours de la dernière décennie, avec le frittage flash émergeant comme une voie particulièrement prometteuse pour la densification des matériaux pour une utilisation dans des applications comprenant les batteries à l'état solide, revêtements de barrière thermique, et joints en céramique.
Dans le journal, « Promouvoir l'homogénéité microstructurale pendant le frittage instantané des céramiques par la gestion thermique » publié dans le cadre d'un numéro spécial du MRS Bulletin, Gareth Jones et le Dr Claire Dancer de WMG, L'Université de Warwick a travaillé avec des collaborateurs de l'Université de Trente, Université de technologie de Wuhan, Normandie Université, et Lucideon Ltd pour examiner les origines des variations microstructurales dans différentes régions des matériaux céramiques soumis au frittage éclair.
Les différences de développement microstructural proviennent de gradients thermiques dans le matériau pendant le traitement, et ceux-ci peuvent être réduits par une gestion thermique prudente pendant le processus de frittage flash. Ceux-ci inclus:
Les résultats de cette revue fournissent une feuille de route pour de nouvelles recherches sur la gestion thermique dans le frittage flash, ce qui accélérera le développement du procédé de mise en œuvre industrielle.
Simulation de la répartition de la chaleur lors du frittage flash. Crédit :WMG, Université de Warwick
Dr Claire Danseuse, leader du Groupe Céramique au sein de la Direction Matériaux et Durabilité de WMG, Commentaires de l'Université de Warwick :
" L'abaissement des températures de traitement de la céramique en utilisant des techniques telles que le frittage flash est une étape essentielle pour la fabrication de structures multi-matériaux complexes telles que celles nécessaires aux batteries à l'état solide, et pour réduire la consommation globale d'énergie dans l'industrie céramique.
"Toutefois, le procédé doit produire des matériaux céramiques homogènes robustes pour être largement utilisés. Notre article explique pourquoi le frittage flash peut entraîner des propriétés inhomogènes dans les céramiques et suggère un certain nombre de voies pour atténuer ces effets. »
