Traitement de composites céramiques alumine/titanate d'aluminium à haute température provenant de sources propres

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 5957 (2022) Citer cet article

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Produire de nouveaux matériaux technologiques à hautes performances à partir de sources propres est devenu une exigence mondiale. Les composites alumine/titanate d'aluminium (Al2O3/Al2TiO5) sont des matériaux prodigieux à haute température utilisés dans diverses applications avancées. Dans ce travail, différents composites Al2O3/Al2TiO5 ont été obtenus avec des propriétés thermiques et mécaniques élevées pour des applications à haute température par un procédé à faible coût. Les composites ciblés ont été produits à partir d’alumine calcinée et de minerai de rutile extrait des sables noirs égyptiens par frittage sans pression à une température de 1 650 °C/2 h. Du rutile a été ajouté à l'alumine avec une teneur différente (0 à 40 % en poids) pour favoriser sa frittabilité et sa réponse thermomécanique. L'évaluation des composites produits en termes de composition de phase, de densification, de caractéristiques microstructurales, de propriétés mécaniques et thermiques a été étudiée. Les résultats ont indiqué que l’ajout de petites quantités de rutile (10 et 20 % en poids) a réussi à former une structure composite Al2O3/Al2TiO5 stable. Cependant, une teneur plus élevée en rutile a conduit à la formation de composites à matrice riche en Al2TiO5. De plus, des composites très denses présentant une microstructure harmonique et une résistance mécanique améliorée ont été obtenus en augmentant la teneur en rutile. Le composite avec seulement 10 % en poids d'ajout de rutile a donné la densité la plus élevée de 3,6 g/cm3 et les valeurs de résistance à l'écrasement à froid et de module de rupture les plus élevées de 488,73 MPa et 106,19 MPa, respectivement. Notamment, l’ajout de rutile a un effet substantiel sur la promotion des propriétés thermiques et de la stabilité thermique des composites obtenus jusqu’à une température élevée de 1 400 °C. La présente étude montre que l'ajout de minerai de rutile à l'alumine constitue un moyen économique d'améliorer la densification et la dilatation thermique de l'Al2O3 pour les applications à haute température. L'utilisation d'une source propre telle que le minerai de rutile qui contient des stabilisants thermiques tels que Fe2O3, Al2O3, SiO2, ZrO2 et MgO au lieu du TiO2 pur a joué un rôle notable dans l'amélioration de la réaction de frittage et dans l'obtention d'un matériau hautement qualifié. Ainsi, les composites frittés Al2O3/Al2TiO5 peuvent être considérés comme un matériau prometteur à haute température pour des applications avancées.

De nos jours, avec le développement continu des différents secteurs industriels, le traitement de matériaux avancés à haute température est devenu une exigence urgente. Il a été établi que les matériaux à haute température sont ceux qui résistent à des températures comprises entre 500 et 600 °C1,2,3,4. Ainsi, les matériaux céramiques et réfractaires ont été considérés comme les candidats les plus prometteurs pour les applications à haute température. Il a également été constaté que l’adéquation et la durabilité des matériaux pour les applications à haute température reposaient sur leurs performances thermiques et mécaniques à haute température ainsi que sur leurs coûts de production. De plus, d’un point de vue économique et industriel, l’un des problèmes les plus critiques auxquels sont confrontés ces matériaux haute température est la diminution de leur coût5. Ainsi, le principal défi consiste à obtenir des matériaux haute température dotés de propriétés thermiques et mécaniques élevées à faible coût.

L’alumine (Al2O3, A) est l’un des matériaux céramiques haute température les plus connus. Il s’agit d’un matériau céramique structurel bien connu qui peut être largement utilisé dans divers domaines d’application en raison de ses propriétés supérieures. Certaines de ces propriétés sont un point de fusion élevé, une inertie chimique, une bonne résistance à la corrosion, une résistance à l'usure, une dureté, une isolation élevée et une facilité de traitement. Cependant, une défaillance catastrophique de l'alumine se produit dans un environnement thermique aigu en raison de contraintes importantes dues aux variations thermiques. De plus, malgré la résistance mécanique élevée de l'alumine, sa dilatation thermique élevée (α20–1000 °C = 8 * 10–6 K−1) et sa conductivité thermique limitent sa portée pour certaines applications structurelles à haute température6,7,8,9. .

10 wt%) until achieved CCS and MOR values of 219.8 MPa and 63.8 MPa, respectively for 40 R composite. Increasing the mechanical strength for composite with 10 wt% rutile may be explained by reducing the number or size of pores during the bonding of alumina and AT grains via the formed liquid phase and solid solution reaction10,11. While the reduction in the mechanical strength values associated with the excessive addition of rutile (20–40 wt%) may be owing to the formed phases in each batch according to the XRD data in Fig. 2. At lower levels of rutile, the main phase was Al2O3. However, insertion of more rutile, makes Al2TiO5 the major phase. In which Al2O3 is denser and has higher mechanical strength. Additionally, this behavior can be attributed to the abnormal grains growth of AT grains attached to increasing its content and the higher porosity levels of these composites. This in turn led to initiation of microcracks formation, which increases with further addition of rutile (as shown in Figs. 5 and 6) and subsequently result in lowering the mechanical strength. Moreover, it can be noticed that the mechanical strength of the obtained samples in this work is significantly greater than those reported in the literature for AT synthesized from pure oxides with further modification by various additives employing several preparation methods (see Table 3 for some comparison)./p>