Étude et mise en œuvre du couple de diffusion La2SiO5 / SiO2 pour l’élaboration de couches texturées et optimisées d’oxyapatite silicatée pour le domaine de l’énergie

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Pile à combustible SOFC, Oxyapatite texturée, Diffusion, Frittage réactif, Mécanismes réactionnels

Mots-clés

Piles à combustible à oxyde solide,

Frittage (métallurgie),

Réactions chimiques -- Mécanismes

Ces travaux de thèse sont consacrés à l'étude de différents procédés de mise en forme en vue d'obtenir un matériau polycristallin, dense et texturé d’oxyapatite (La9,33+x/3(SiO4)6O2+x/2). De par leurs propriétés de conduction ionique, ces matériaux ont des applications potentielles en tant qu’électrolyte de pile à combustible SOFC. Une orientation préférentielle des cristallites dans le matériau d’oxyapatite améliore considérablement les performances de conduction. Ce dernier est obtenu par frittage réactif entre des couches alternées de précurseurs : La2SiO5 et SiO2. Le précurseur La2SiO5 a dû être synthétisé au laboratoire, par voie solide, en utilisant des poudres de La2O3 et SiO2. Cette voie de synthèse a été optimisée en prenant en compte l’influence de la nature cristalline et la taille des particules de silice. Nous avons ainsi pu mettre en évidence les mécanismes réactionnels mis en jeu dans la formation des différents silicates de lanthane du pseudo-binaire La2O3-SiO2 selon les caractéristiques de la silice. Différents procédés ont ensuite été étudiés (coulage en bande, pressage uniaxial et électrophorèse) pour la mise en forme de matériaux bicouches et multicouches alternant le couple de diffusion La2SiO5 / SiO2. L’influence de divers paramètres, tels que la température et le palier de frittage réactif, le taux de porosité des couches, sur les mécanismes de germination/croissance des cristaux d’apatite, à chacune des interfaces de précurseurs, ont ainsi été étudiés. Ces travaux ont également permis de tester la faisabilité du coulage en bande et de l’électrophorèse pour l’élaboration de fines couches de réactifs en vue d’obtenir des matériaux orientés par diffusion réactive. Le bilan dressé à l’issu de ces différents essais montre que le mécanisme de germination des cristaux d’apatite est conditionné par l’apparition d'une phase liquide à l'interface La2SiO5 / SiO2 (sur les grains de silice), propice à la diffuse du lanthane La+III, et qui engendre la précipitation d’une couche La2Si2O7, support à la croissance des cristaux d’apatite.