Effet du frittage sur les propriétés des céramiques de zircone

Effet du frittage sur les propriétés des céramiques de zircone

Matériau céramique, le zirconium possède d'excellentes propriétés : haute résistance, dureté élevée, bonne résistance à l'usure, aux acides et aux bases, aux hautes températures, etc. Outre son utilisation répandue dans l'industrie, le développement rapide du secteur prothétique ces dernières années a fait de la céramique de zircone un matériau très prometteur pour les prothèses dentaires, suscitant l'intérêt de nombreux chercheurs.

Les performances des céramiques de zircone sont influencées par de nombreux facteurs ; aujourd'hui, nous allons parler de l'impact du frittage sur certaines propriétés de ces céramiques.

Méthode de frittage

La méthode de frittage traditionnelle consiste à chauffer le matériau par rayonnement, conduction et convection thermiques, la chaleur se propageant de la surface vers l'intérieur de la zircone. Cependant, la conductivité thermique de la zircone est inférieure à celle de l'alumine et d'autres matériaux céramiques. Afin de prévenir les fissures dues aux contraintes thermiques, le chauffage traditionnel est lent et long, ce qui allonge le cycle de production et augmente les coûts. Ces dernières années, l'amélioration des techniques de traitement de la zircone, la réduction des temps de traitement et des coûts de production, ainsi que la mise au point de matériaux céramiques dentaires en zircone performants, sont devenues des axes de recherche prioritaires. Le frittage par micro-ondes apparaît sans aucun doute comme une méthode prometteuse.

Il a été constaté que le frittage par micro-ondes et le frittage à pression atmosphérique n'ont pas d'influence significative sur la semi-perméabilité et la résistance à l'usure. Ceci s'explique par le fait que la densité de la zircone obtenue par frittage par micro-ondes est similaire à celle obtenue par frittage conventionnel, les deux procédés permettant d'obtenir des pièces denses. Cependant, le frittage par micro-ondes présente l'avantage d'une température de frittage basse, d'une vitesse élevée et d'une durée réduite. En revanche, la vitesse de montée en température du frittage à pression atmosphérique est plus lente et sa durée est plus longue (environ 6 à 11 heures). Comparé au frittage à pression atmosphérique, le frittage par micro-ondes constitue une méthode de frittage innovante qui offre l'avantage d'une durée de frittage courte, d'une efficacité élevée et d'économies d'énergie, tout en permettant d'améliorer la microstructure des céramiques.

Certains chercheurs pensent également que la zircone après frittage par micro-ondes peut conserver une phase tequartet métastable plus importante, probablement parce que le chauffage rapide par micro-ondes permet une densification rapide du matériau à une température plus basse, la taille des grains étant plus petite et plus uniforme que celle du frittage sous pression normale, inférieure à la taille critique de transformation de phase du t-ZrO2, ce qui favorise le maintien d'une quantité maximale de matière dans un état métastable à température ambiante, améliorant ainsi la résistance et la ténacité des matériaux céramiques.

Procédé de double frittage

Les céramiques de zircone frittées compactes, du fait de leur dureté et de leur résistance élevées, ne peuvent être usinées qu'avec des outils de coupe en émeri, ce qui engendre des coûts et des délais de traitement importants. Pour pallier ces inconvénients, on recourt parfois à un double frittage : après la formation du corps céramique et un premier frittage, un usinage par amplification CAO/FAO permet d'obtenir la forme souhaitée, suivi d'un frittage final à la température requise pour une densité optimale.

Il a été constaté que deux procédés de frittage modifient la cinétique de frittage des céramiques de zircone et influent sur leur densité, leurs propriétés mécaniques et leur microstructure. Les propriétés mécaniques des céramiques de zircone usinables frittées une seule fois sont supérieures à celles des céramiques frittées deux fois. La résistance à la flexion biaxiale et la ténacité à la rupture des céramiques de zircone usinables frittées une seule fois sont également supérieures à celles des céramiques frittées deux fois. Le mode de rupture des céramiques de zircone frittées une première fois est transgranulaire/intergranulaire, et la propagation des fissures est relativement rectiligne. Le mode de rupture des céramiques de zircone frittées deux fois est principalement intergranulaire, et la propagation des fissures est plus sinueuse. Les propriétés du mode de rupture composite sont supérieures à celles du mode de rupture intergranulaire simple.

frittage sous vide

La zircone doit être frittée sous vide. Le processus de frittage produit un grand nombre de bulles, et sous vide, ces bulles s'évacuent facilement de la porcelaine en fusion, améliorant ainsi la densité de la zircone et augmentant de ce fait sa semi-perméabilité et ses propriétés mécaniques.

vitesse de chauffage

Lors du frittage de la zircone, pour obtenir de bonnes performances et les résultats escomptés, il convient d'adopter une vitesse de chauffage lente. Une vitesse de chauffage élevée engendre une température interne hétérogène au sein de la zircone lors de l'atteinte de la température de frittage finale, ce qui provoque l'apparition de fissures et la formation de pores. Les résultats montrent qu'une augmentation de la vitesse de chauffage raccourcit le temps de cristallisation des cristaux de zircone, empêche l'évacuation des gaz intercristallins et accroît légèrement la porosité interne des cristaux. De plus, une faible quantité de phase monoclinique apparaît au sein de la phase tétragonale de la zircone, ce qui affecte ses propriétés mécaniques. Par ailleurs, une vitesse de chauffage élevée favorise la polarisation des grains, c'est-à-dire la coexistence de grains de tailles différentes. Une vitesse de chauffage plus lente permet la formation de grains plus uniformes, ce qui augmente la semi-perméabilité de la zircone.