Quelle est l’influence des oxydes de terres rares dans les revêtements céramiques ?

Les céramiques, les métaux et les polymères constituent les trois principaux matériaux solides. La céramique présente d'excellentes propriétés, telles que la résistance aux hautes températures, à la corrosion et à l'usure, grâce à son mode de liaison atomique ionique, covalente ou mixte ion-covalente à énergie de liaison élevée. Le revêtement céramique peut modifier l'aspect, la structure et les performances de la surface extérieure du substrat. Le composite revêtement-substrat est privilégié pour ses nouvelles performances. Il combine harmonieusement les caractéristiques d'origine du substrat avec celles des matériaux céramiques : résistance aux hautes températures, à l'usure et à la corrosion, et exploite pleinement les avantages de ces deux types de matériaux. Il est donc largement utilisé dans l'aérospatiale, l'aviation, la défense nationale, l'industrie chimique et d'autres secteurs.

Les terres rares sont considérées comme le « trésor » des nouveaux matériaux, en raison de leur structure électronique 4f unique et de leurs propriétés physiques et chimiques. Cependant, les métaux des terres rares pures sont rarement utilisés directement en recherche, et les composés de terres rares sont majoritairement utilisés. Les composés les plus courants sont CeO₂, La₂O₃, Y₂O₃, LaF₃, CeF₃, CeS₂ et le ferrosilicium de terres rares. Ces composés peuvent améliorer la structure et les propriétés des matériaux et revêtements céramiques.

Application des oxydes de terres rares dans les matériaux céramiques

L'ajout de terres rares comme stabilisants et agents de frittage à différentes céramiques permet de réduire la température de frittage, d'améliorer la résistance et la ténacité de certaines céramiques structurales et, par conséquent, de diminuer les coûts de production. Parallèlement, les terres rares jouent également un rôle essentiel dans les capteurs de gaz semi-conducteurs, les supports micro-ondes, les céramiques piézoélectriques et autres céramiques fonctionnelles. Des recherches ont montré que l'ajout simultané de deux ou plusieurs oxydes de terres rares aux céramiques d'alumine est plus efficace que l'ajout d'un seul oxyde de terres rares. Après un test d'optimisation, l'association Y₂O₃+CeO₂ offre le meilleur effet. Avec un ajout de 0,2 % de Y₂O₃+0,2 % de CeO₂ à 1490 °C, la densité relative des échantillons frittés peut atteindre 96,2 %, ce qui dépasse la densité des échantillons contenant uniquement des oxydes de terres rares Y₂O₃ ou CeO₂.

L'effet de La₂O₃+Y₂O₃, Sm₂O₃+La₂O₃ sur le frittage est supérieur à celui de l'ajout de La₂O₃ seul, et la résistance à l'usure est nettement améliorée. Il est également démontré que le mélange de deux oxydes de terres rares ne se résume pas à une simple addition, mais qu'il existe une interaction entre eux, plus bénéfique pour le frittage et l'amélioration des performances des céramiques d'alumine. Le principe reste toutefois à étudier.

De plus, il a été constaté que l'ajout d'oxydes métalliques mixtes de terres rares comme adjuvants de frittage peut améliorer la migration des matériaux, favoriser le frittage des céramiques MgO et améliorer la densité. Cependant, lorsque la teneur en oxydes métalliques mixtes est supérieure à 15 %, la densité relative diminue et la porosité ouverte augmente.

Deuxièmement, l’influence des oxydes de terres rares sur les propriétés des revêtements céramiques

Les recherches existantes montrent que les terres rares peuvent affiner la granulométrie, augmenter la densité, améliorer la microstructure et purifier l'interface. Elles jouent un rôle unique dans l'amélioration de la résistance, de la ténacité, de la dureté, de la résistance à l'usure et à la corrosion des revêtements céramiques, ce qui améliore leurs performances et élargit leur champ d'application.

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Amélioration des propriétés mécaniques des revêtements céramiques par les oxydes de terres rares

Les oxydes de terres rares peuvent améliorer considérablement la dureté, la résistance à la flexion et la résistance à la traction des revêtements céramiques. Les résultats expérimentaux montrent que la résistance à la traction du revêtement peut être efficacement améliorée en utilisant du Lao_2 comme additif dans un matériau Al2O3 + 3 % TiO_2. La résistance à la traction peut atteindre 27,36 MPa lorsque la quantité de Lao_2 est de 6,0 %. En ajoutant du CeO2 avec une fraction massique de 3,0 % et 6,0 % au matériau Cr2O3, la résistance à la traction du revêtement est comprise entre 18 et 25 MPa, ce qui est supérieur aux 12 à 16 MPa d'origine. Cependant, lorsque la teneur en CeO2 est de 9,0 %, la résistance à la traction diminue à 12 à 15 MPa.

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Amélioration de la résistance aux chocs thermiques des revêtements céramiques par les terres rares

L'essai de résistance aux chocs thermiques est un test important pour évaluer qualitativement la force d'adhérence entre le revêtement et le substrat, ainsi que la compatibilité de leur coefficient de dilatation thermique. Il reflète directement la résistance du revêtement au pelage lors des variations de température en cours d'utilisation, ainsi que sa résistance à la fatigue due aux chocs mécaniques et son adhérence latérale au substrat. Il constitue donc un facteur clé pour évaluer la qualité d'un revêtement céramique.

Les recherches montrent que l'ajout de 3,0 % de CeO2 permet de réduire la porosité et la taille des pores du revêtement, ainsi que la concentration de contraintes aux bords des pores, améliorant ainsi la résistance aux chocs thermiques du revêtement Cr2O3. Cependant, la porosité du revêtement céramique Al2O3 diminue, tandis que la force de liaison et la durée de vie après rupture par choc thermique augmentent sensiblement après l'ajout de LaO2. Avec une quantité de LaO2 ajoutée de 6 % (fraction massique), la résistance aux chocs thermiques du revêtement est optimale, avec une durée de vie après rupture par choc thermique pouvant atteindre 218 fois, contre seulement 163 fois sans LaO2.

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Les oxydes de terres rares affectent la résistance à l'usure des revêtements

Les oxydes de terres rares utilisés pour améliorer la résistance à l'usure des revêtements céramiques sont principalement CeO₂ et La₂O₃. Leur structure feuilletée hexagonale assure une bonne lubrification et maintient des propriétés chimiques stables à haute température, ce qui améliore efficacement la résistance à l'usure et réduit le coefficient de frottement.

Les recherches montrent que le coefficient de frottement du revêtement contenant une quantité appropriée de CeO2 est faible et stable. Il a été rapporté que l'ajout de La2O3 au revêtement cermet à base de nickel projeté au plasma peut réduire considérablement l'usure par frottement et le coefficient de frottement du revêtement, et que le coefficient de frottement est stable avec peu de fluctuations. La surface d'usure de la couche de placage sans terres rares présente une adhérence importante, ainsi que des fractures fragiles et un écaillage. En revanche, le revêtement contenant des terres rares présente une faible adhérence sur la surface usée, et aucun signe d'écaillage fragile à grande échelle n'est observé. La microstructure du revêtement dopé aux terres rares est plus dense et plus compacte, et les pores sont réduits, ce qui réduit la force de frottement moyenne supportée par les particules microscopiques et réduit le frottement et l'usure. Le dopage aux terres rares peut également augmenter la distance entre les plans cristallins des cermets, ce qui entraîne une modification de la force d'interaction entre les deux faces cristallines et réduit le coefficient de frottement.

Résumé:

Bien que les oxydes de terres rares aient fait de grands progrès dans l'application de matériaux et de revêtements céramiques, qui peuvent améliorer efficacement la microstructure et les propriétés mécaniques des matériaux et des revêtements céramiques, il existe encore de nombreuses propriétés inconnues, notamment en matière de réduction du frottement et de l'usure. La manière de faire coopérer la résistance et la résistance à l'usure des matériaux avec leurs propriétés lubrifiantes est devenue une direction importante digne de discussion dans le domaine de la tribologie.

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