Transformations thermiques, organisation structurale et frittage des composés kaolinite-muscovite

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

matériaux céramiques, argiles, frittage, traitements thermiques, mullite, kaolin

Mots-clés

Céramique industrielleMatériaux céramiquesMatériaux céramiques -- Propriétés thermiques,

Argile - Thèses et écrits académiques,

Mullite - Thèses et écrits académiques,

Kaolin - Thèses et écrits académiques

Les argiles les plus utilisées pour l'élaboration des céramiques de grande diffusion ont des teneurs élevées en minéraux du groupe de la kaolinite et des micas. Pour étudier les propriétés d'usage de ces argiles dans les matériaux céramiques, nous avons analysé les transformations thermiques et structurales ainsi que le processus frittage de composés kaolinite-muscovite. Leurs teneurs en muscovite sont inférieures à 25% de la masse totale. Le comportement idéal des composés s'insère dans le diagramme ternaire Al₂O₃-SiO₂-K₂O, dans une zone non étudiée. Nous proposons une étude expérimentale et une modélisation de deux sections verticales de ce diagramme, qui décrivent les composés kaolinite-muscovite. Il est ainsi montré l'existence d'un domaine d'immiscibilité sur la section reliant le point eutectique à 985°C au point de composition de la mullite, susceptible d'être le prolongement dans le ternaire de la lacune de miscibilité mise en évidence autour du point de composition de la kaolinite dans le diagramme binaire Al₂O₃-SiO₂. Le comportement global est aussi caractérisé par l'analyse des transformations thermiques. On observe notamment que jusqu'à 900°C, la kaolinite et la muscovite évoluent sans interaction. Dès 925°C, la diffusion du potassium a pour effet de modifier les processus de réorganisation structurale de la métakaolinite. Le phénomène exothermique à 980°C s'en trouve fortement diminuer. Vers 1140°C le pic caractéristique de la réaction péritectique reste invariable et proportionnel à la quantité de muscovite réagissante, tandis que l'épaulement exothermique lié à cristallisation de la cristobalite et de la mullite secondaire est décalé vers les basses températures en présence de muscovite. La croissance de la mullite à l'interface kaolinite-muscovite a été étudiée par diffraction des rayons X et par l'analyse des fonctions de distribution de paires atomiques. Les résultats montrent des orientations systématiques des cristallites de mullite, suivant les directions (010), (310) et (̅300) de la muscovite. La croissance préférentielle de la mullite à l'interface des minéraux a pu être expliquée par une relation d'épitaxie entre les phases haute température des phyllosilicates. L'utilisation des modèles de frittage existant dans la littérature se heurte à la complexité des transformations des composés de phyllosilicates et de leurs morphologies particulières. Néanmoins, nous montrons l'existence de trois mécanismes principaux qui contrôlent la densification des composés : le frittage par flux visqueux, le frittage par diffusion aux joints de grains et le frittage avec phase liquide. Cette étude a permis de mettre en évidence les interactions mutuelles entre les minéraux kaolinite et muscovite. Les transformations structurales et microstructurales qui résultent de traitements thermiques appropriés doivent permettre de réaliser des matériaux céramiques dont la microstructure est organisée. Nous avons aussi contribué à la compréhension des mécanismes de frittage de mélanges complexes de phyllosilicates. L'apport de ces résultats est favorable à l'industrie céramique, notamment en ce qui concerne la production des matériaux de grande diffusion.