Étude expérimentale et modélisation par éléments discrets des premiers stades de frittage de céramiques à base de silice

Cette étude collaborative entre l'IRCER et le CEA-DAM Le Ripault vise à caractériser et à modéliser le comportement au frittage de structures céramiques poreuses à base de silice, mises en forme par pressage uniaxial et par stéréolithographie. Ces structures réfractaires sont spécifiquement conçues pour des applications d’isolation thermique. L'étape du frittage est cruciale, car elle met en jeu des phénomènes complexes, tels que la consolidation, la densification et le réarrangement granulaire. Un élément clé pour comprendre ces mécanismes réside dans l’analyse de la méso-structure, constituée de quelques milliers de particules interagissant entre elles par l’intermédiaire de contacts mécaniques. Ces interactions multiples conduisent progressivement à la formation de ponts entre les particules au cours du cycle thermique de frittage.Dans cette étude, une approche de modélisation par éléments discrets a été développée afin d’approfondir la compréhension du comportement au frittage des céramiques. Le développement de cet outil numérique repose sur une connaissance fine des mécanismes de transport de matière et des forces motrices associées. Ces forces gouvernent la cinétique du réarrangement granulaire et la formation de ponts interparticulaires lors des premières étapes de consolidation du compact granulaire. Les simulations ont été menées à l’aide du code de calcul par éléments discrets GranOO.Pour cela, une poudre de silice commerciale amorphe, sphérique et de granulométrie micrométrique a été sélectionnée. Les différentes phases de ce travail ont consisté, dans un premier temps, en une caractérisation approfondie de la matière première retenue, puis en l'étude des procédés de mise en forme de la poudre de silice. L'analyse du comportement thermique et au frittage des pastilles crues obtenues a également été menée, avant la construction d’un modèle numérique par éléments discrets dédié à la simulation du frittage par écoulement visqueux du verre de silice. Ce modèle permet de modéliser la phase de consolidation, voire de densification, de l'empilement granulaire. Afin d'améliorer la robustesse du modèle numérique, des jumeaux numériques des microstructures initiales ont été reconstruits à partir d'images FIB/MEB. À cette fin, un algorithme d'apprentissage a été mis en œuvre, facilitant la reconstruction des microstructures numériques qui ont ensuite servi de volume de base aux simulations visant à comparer les comportements au frittage des pastilles crues. La fiabilité du modèle développé a été vérifiée en confrontant les résultats numériques aux données expérimentales obtenues aux échelles macroscopique et microscopique. Cette validation s’est appuyée sur la comparaison du comportement au frittage, de l'évolution microstructurale et des propriétés effectives, grâce à un ensemble d’images FIB/MEB acquises durant les phases de consolidation et de densification.