Densification dans des verres SiO2 transparents préparés par frittage plasma

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14761 (2022) Citer cet article

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Récemment, le frittage par plasma étincelant (SPS) est devenu une méthode intéressante pour la préparation de céramiques solides. Le SPS étant un procédé à basse température assisté par pression, il est important d’examiner les effets de la température et de la pression sur les propriétés structurelles des échantillons préparés. Dans la présente étude, nous avons examiné la corrélation entre les conditions de préparation et les propriétés physiques et structurelles des verres SiO2 préparés par SPS. Comparés au verre SiO2 conventionnel, les verres SPS-SiO2 présentent une densité et un module d'élasticité plus élevés, mais un premier pic de diffraction net et de faible hauteur du facteur de structure total des rayons X. Les spectres micro-Raman et micro-IR suggèrent la formation de régions hétérogènes à l'interface entre les poudres de SiO2 et la filière en graphite. Compte tenu de la formation de défauts observée dans les spectres d’absorption optique, la réaction de réduction affecte principalement la densification du verre SPS-SiO2. Par conséquent, la réaction à l’interface est importante pour adapter la structure et les propriétés physiques des matériaux solides préparés par la technique SPS.

Les céramiques ont attiré l'attention du point de vue des matériaux fonctionnels présentant d'excellentes stabilités thermiques et durabilités chimiques. Compte tenu des objectifs de développement durable (ODD), la fabrication de matériaux fonctionnels est importante non seulement sur le plan scientifique mais aussi environnemental. Les céramiques transparentes étant utilisées pour diverses applications optiques, les méthodes de fabrication et les matériaux disponibles ont été étudiés dans le monde entier. La synthèse des céramiques conventionnelles nécessite de l’énergie, et un processus de fabrication sans énergie est un aspect important des ODD. Une méthode de préparation permettant d’obtenir des matériaux transparents est le frittage par plasma étincelant (SPS)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Contrairement aux méthodes conventionnelles de synthèse de céramiques, le procédé SPS permet un frittage à une température plus basse et dans un délai plus court en utilisant l'énergie électrique et l'énergie élevée du plasma de décharge1. Bien que la taille du solide obtenu soit limitée, le frittage à haute pression et basse température est intéressant pour la préparation de nouveaux matériaux fonctionnels, tels que les luminophores7,8,9,10.

Il a été rapporté que les propriétés des matériaux solides obtenus par SPS sont différentes de celles des matériaux classiques ou des matériaux obtenus par frittage classique. La technique SPS ayant été développée pour la fabrication de matériaux, la fonctionnalité semble être la priorité absolue des chercheurs. Des études détaillées des propriétés physiques et structurelles sont importantes non seulement pour l'analyse des matériaux mais également pour l'amélioration de la technique SPS. Néanmoins, l’analyse microscopique de la structure par spectroscopie est considérée comme secondaire par rapport à l’examen de la fonctionnalité.

Le verre SiO2 a été utilisé comme matériau optique fondamental avec une durabilité et une stabilité chimique élevées dans les fibres optiques et les substrats. En raison de la température élevée impliquée dans la fabrication, plusieurs tentatives ont été faites pour fabriquer du verre SiO2 à basse température ; celles-ci incluent les méthodes en phase liquide (telles que sol-gel) et le SPS. Le verre SiO2 préparé par SPS a été signalé pour la première fois dans les années 1990. La luminescence du verre SiO2 contenant des activateurs préparés par frittage a également été rapportée7,8,9,10. Étant donné que les verres SiO2 préparés par différentes méthodes présentent des propriétés différentes selon les objectifs et les applications, il est très important d'étudier la relation entre la structure et les propriétés physiques du verre SiO2 préparé. Cependant, une étude détaillée de la structure du verre SPS-SiO2 fait défaut. Dans cette étude, nous avons effectué une analyse structurelle du verre SiO2 préparé par la méthode SPS et comparé ses caractéristiques avec celles du verre SiO2 conventionnel. De plus, une analyse microscopique sélective dans l’espace a été utilisée pour déterminer l’hétérogénéité spatiale du verre SPS-SiO2.