Consolidation d'un Reseau d'Unites Nanométriques par Compression Homogène – CRUNCH

Les dispersions de particules ultrafines (colloïdales) sont de plus en plus utilisées dans les procédés de fabrication de revêtements, de matériaux composites ou de céramiques structurées. Les principales voies d'innovation reposent sur la substitution des poudres microniques utilisées actuellement par ces dispersions. Les raisons principales qui sous-tendent ces orientations sont liées (i) à la grande surface spécifique que développent ces dispersions, conduisant à une plus grande réactivité et à de plus faibles températures de frittage, (ii) à la possibilité d'obtenir des matériaux de porosité très élevée (solides mésoporeux), ayant une activité catalytique, une transparence optique ou une résilience mécanique. Actuellement, ces développements se heurtent à des difficultés majeures, car les transformations subies par les dispersions colloïdales au cours du procédé où la phase liquide va être progressivement éliminée sont très mal connues et de ce fait imparfaitement contrôlées.Le principal problème réside dans les fortes interactions entre les particules. Dans les premières étapes du procédé, elles sont amenées à de faibles distances les unes des autres, les surfaces réagissent alors prématurément et forment des agrégats permanents qui seront incorporés dans le matériau. Cette auto-organisation des particules peut conduire à une conformation finale incompatible avec les propriétés d'usage attendues. Dans les étapes intermédiaires du procédé où la phase liquide est extraite pour former un matériau dense, les agrégats peuvent résister à la force appliquée. Selon la force des contacts entre particules et leur distribution dans le réseau, les phases denses obtenus après l'extraction de la phase liquide peuvent présenter des organisations locales très particulières. Ceci peut se traduire par (i) une porosité qui n'est pas conforme à celle attendue, (ii) une résistance à une contrainte imposée qui n'est pas homogène, (iii) l'existence de zones denses (ou grains) qui en se développant de façon incontrôlée bloquent la consolidation. Jusqu'ici, il s'est avéré particulièrement difficile d'interpréter de telles variations dans les propriétés finales des matériaux en termes de processus chimiques ou physiques et il est à l'heure actuelle impossible de comprendre comment un changement de formulation ou des paramètres du procédé peut permettre d'améliorer les propriétés d'usage. - L'objectif de ce projet est concevoir des méthodes qui permettront de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la consolidation de dispersions colloïdales agrégées de particules. Il y a trois types de verrous scientifiques. (i) Dans un premier temps, les dispersions colloïdales sont déstabilisées sous l'action de polymères, d'ions de petite taille et/ou de ligands complexants. A ce niveau, nous voulons identifier les seuils d'agrégation et la force des contacts entre particules. (ii) Au-delà du seuil d'agrégation, les particules déstabilisées vont s'agréger et construire un réseau cohésif qui va se développer dans tout l'échantillon. Ici nous voulons, déterminer la structure du réseau résultant de l'agrégation en fonction du type de déstabilisation. (iii) Puis, une force externe est appliquée pour extraire la phase liquide et transformer le réseau en un matériau dense. En fonction de la force externe, nous voulons suivre l'évolution de la structure du réseau et développer un modèle qui décrit les déplacements des particules. Ce modèle permettra d'établir une équation « rhéologique » qui décrira le comportement du réseau sous l'effet d'une force appliquée en fonction de la nature et de l'organisation des contacts interparticulaires dans le réseau non comprimé. Nous utiliserons un ensemble de techniques qui permettent de contrôler la surface des particules et leur changement au cours de leur déstabilisation et d'appliquer des contraintes sur les dispersions agrégées pour extraire la phase liquide tout en suivant leur comportement en consolidation. Les évo..