Construction d’un complexe de joints de grains co-ségrégés à éléments multiples

À ce jour, les spécialistes de la céramique ont mis au point diverses stratégies pour empêcher le grossissement des grains. L’utilisation de poudres précurseurs de taille nanométrique peut non seulement faciliter le processus de densification, mais également produire des céramiques en vrac avec des tailles de grains réduites par rapport aux poudres précurseurs de taille micrométrique.

Le frittage rapide contourne l’étape de diffusion de surface à basse température et entre directement dans l’étape de frittage à haute température grâce à un chauffage rapide, ce qui en fait un moyen efficace d’inhiber le grossissement des grains. Cependant, les stratégies susmentionnées ne parviennent pas à empêcher le grossissement lors de l’application de nano-céramiques dans des environnements à température moyenne ou élevée.

L’introduction de la phase secondaire peut également améliorer la stabilité thermique des nanograins. En fixant les joints de grains (GB) et en réduisant leur mobilité, la phase secondaire inhibe efficacement le grossissement. Cependant, il est difficile d’obtenir une distribution uniforme de la phase secondaire, ce qui peut avoir des effets néfastes sur d’autres propriétés.

Il a été démontré que la ségrégation des solutés dans les GB réduit l’énergie des GB et affaiblit la force motrice de la croissance des grains. Néanmoins, la plupart des études rapportées n’ont examiné que l’ajout d’un ou deux types d’atomes de soluté, ce qui limite l’ampleur de la réduction de l’énergie des GB. Par conséquent, une exploration plus approfondie est nécessaire pour comprendre pleinement et exploiter le potentiel de la ségrégation des solutés en tant que stratégie.

Récemment, une équipe de scientifiques des matériaux dirigée par Le Fu de l’Université du Centre-Sud, en Chine, a proposé une stratégie efficace pour inhiber le grossissement des grains en construisant des complexions GB avec plusieurs dopants co-ségrégués. L’équipe a publié ses travaux dans Journal des céramiques avancées le 28 mars 2024.

Pour démontrer la faisabilité de la stratégie, plusieurs dopants sélectionnés ont été dopés à une vitrocéramique nanocristalline ZrO2-SiO2 (NCGC) pour former des complexions GB. La microstructure des complexions GB avec plusieurs dopants co-ségrégués a été caractérisée. Parallèlement, les mécanismes sous-jacents des effets des complexions GB sur l’inhibition du grossissement ont été discutés.

Dans ce rapport, les chercheurs ont cherché à construire un complexe GB co-ségrégué multi-éléments. La première et la plus importante question est de sélectionner les dopants. Il a été prouvé que la ségrégation GB est largement affectée par le rayon ionique et l’état de valence des cations dopants et de l’hôte. Pour les ions dopants qui ont une grande discordance de rayon ionique (ε) avec l’ion hôte Zr+4 (84,0 pm), ils seraient poussés vers les GB, au lieu de se dissoudre dans les réseaux ZrO2.

De plus, les GB ZrO2 sont chargés positivement et les ions dopants avec des états de valence inférieurs à +4 peuvent former un nuage de charge spatiale négative au niveau des GB, ce qui pourrait également améliorer la tendance à la ségrégation des GB des ions dopants. En prenant en compte les deux critères ci-dessus, les chercheurs ont sélectionné cinq ions dopants, à savoir les ions Cs+, Ba+2, La+3, Ca+2, Al+3. Ils avaient tous un grand ε avec l’ion hôte Zr+4 et leurs états de valence étaient inférieurs à +4.

« Par conséquent, théoriquement, ils devraient co-ségréger au niveau des GB de ZrO2 », a déclaré Fu, professeur associé à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université du Centre-Sud (Chine), un expert dont les intérêts de recherche se concentrent sur le domaine de la céramique.

« Nous avons caractérisé les complexions GB avec des techniques TEM et avons découvert que les éléments Y, Ca, Ba et La présentaient une ségrégation significative au niveau du complexion GB avec une épaisseur de 2,5 nm. Parallèlement, des franges de réseau se sont formées au niveau du complexion GB, indiquant que les complexions GB étaient des superstructures cristallines. De plus, nous avons également obtenu une reconstruction 3D complète des complexions GB à l’échelle atomique en utilisant la tomographie par sonde atomique (APT), ce qui a considérablement amélioré notre compréhension de la microstructure 3D du complexion GB », a déclaré Fu.

« Pour étudier les effets de la complexion GB sur les comportements de grossissement des grains des NC ZrO2, les échantillons multi-éléments co-dopés et non dopés 65 % ZrO2-35 % SiO2 ont été recuits à différentes températures, les échantillons non dopés servant de groupe témoin. Les NC ZrO2 de l’échantillon fritté avaient une valeur moyenne de 40,8 nm.

« Par rapport aux tailles des NC ZrO2 dans l’échantillon fritté, celles de l’échantillon recuit à 1200 ºC ont augmenté de 117,6 %, ce qui indique que les NC ZrO2 ont montré une cinétique de grossissement très forte. En comparaison, par rapport aux tailles des NC ZrO2 frittés dans l’échantillon co-dopé multi-éléments, celles de l’échantillon recuit à 1200 ºC n’ont augmenté que de 19,8 %, ce qui indique que les complexions GB ont contribué à la forte résistance au grossissement des NC ZrO2 », a déclaré Fu.

Cependant, un frittage en phase liquide s’est produit dans l’échantillon co-dopé multi-éléments, de sorte que les tailles des NC ZrO2 frittés dans l’échantillon co-dopé étaient beaucoup plus grandes que celles de l’échantillon non dopé. Les travaux futurs pourraient se concentrer sur l’optimisation des dopants pour éviter l’apparition d’un frittage en phase liquide.

Parmi les autres contributeurs figurent Gabriel Arcuri et Kathryn Grandfield de l’Université McMaster, au Canada; Wenjun Yu, Zihua Lei et Ying Deng de l’École des sciences des matériaux et de l’ingénierie de l’Université du Centre-Sud, en Chine; Bohan Wang du Laboratoire national de nouvelles céramiques et de traitement fin de l’Université Tsinghua, en Chine.