Du verre au cristal : nucléation, croissance et démixtion, de la recherche aux applications

Résumé

Fait le point sur les développements récents concernant les mécanismes de nucléation, de croissance cristalline et de séparation de phase. L'ouvrage aborde les aspects théoriques, les moyens de caractérisation et les applications des diverses familles de vitrocéramiques.

Éditeur(s)
- EDP sciences
Date
- DL 2013
Notes
- Bibliogr. p. 501-577. Index
Langues
- Français
Description matérielle
- 1 vol. (XIII-597 p.) : ill., couv. ill. ; 24 cm
Collections
- Matériaux
Sujet(s)
ISBN
- 978-2-7598-0843-4
Indice
- 539.1 Cristallographie
Quatrième de couverture
- Du verre au cristal
  Nucléation, croissance et démixtion, de la recherche aux applications
  Les vitrocéramiques sont des matériaux de plus en plus utilisés dans notre vie quotidienne, bien qu'ils soient connus depuis moins d'un siècle. Ce livre apporte une vision théorique et expérimentale de la cristallisation dans les verres et les vitrocéramiques. Il fait le point sur les développements récents concernant les mécanismes de nucléation, de croissance cristalline et de séparation de phase, en regroupant les aspects théoriques, les moyens de caractérisation et les applications actuelles ou futures des diverses familles de vitrocéramiques.
  Cet ouvrage pédagogique de référence s'adresse aux étudiants (master, doctorat, élèves ingénieurs), aux enseignants, chercheurs, ingénieurs et professionnels travaillant sur les vitrocéramiques et les verres, pour l'industrie verrière, sur les techniques de microscopie et de spectroscopie... ou tout simplement à chacun d'entre nous désireux de découvrir l'univers passionnant de la transformation du verre en cristal et des matériaux hybrides verre-cristal nés de cette transformation...
Tables des matières
- - Du verre au cristal
  - Nucléation, croissance et démixtion, de la recherche aux applications
  - Daniel R. Neuville, Laurent Cormier, Daniel Caurant, Lionel Montagne
  - edp sciences
  - Préfacexv
  - Introductionxvii
  - Contributeursxix
  - Principaux symboles et constantes physiquesxxiii
  - Abréviationsxxv
  - Principales phases cristallines abordées dans cet ouvragexxix
  - Chapitre 1 : La théorie classique de la nucléation
  - 1.1. De la dévitrification... 2
  - 1.2. ... Aux origines de la CNT 3
  - 1.3. Nucléation homogène 4
  - 1.3.1. Considérations thermodynamiques 4
  - 1.3.2. Considérations cinétiques 7
  - 1.3.3. Taux de nucléation 8
  - 1.3.4. Exemples de verres avec nucléation homogène 9
  - 1.4. Nucléation hétérogène 10
  - 1.5. Temps d'induction 13
  - 1.6. Croissance cristalline 15
  - 1.6.1. Taux de croissance cristalline 15
  - 1.6.2. Morphologie cristalline 17
  - 1.6.3. Contraintes sur les cristaux 19
  - 1.6.4. Mûrissement d'Ostwald 19
  - 1.6.5. Diagramme TTT 20
  - 1.7. La CNT confrontée à l'expérience 21
  - 1.8. Loi d'Ostwald 23
  - 1.9. Conclusion 23
  - Chapitre 2 : Au-delà de la théorie classique de la nucléation
  - 2.1. Dynamique d'amas 25
  - 2.2. Fonctionnelle de la densité 27
  - 2.3. Validité de la relation de Stokes-Einstein ? 29
  - 2.4. Modèles de germe non classique 29
  - 2.4.1. Introduction d'une surface fractale 30
  - 2.4.2. Théorie de l'interface diffuse (DIT) 31
  - 2.4.3. Observations expérimentales des germes critiques ? 32
  - 2.5. Système désordonné non-homogène 33
  - 2.5.1. Théorie de la nucléation dans des systèmes avec un désordre statique local 33
  - 2.5.2 Observations expérimentales récentes 35
  - 2.6. Approche généralisée de Gibbs 36
  - 2.6.1. Description théorique simplifiée 37
  - 2.6.2. Implications pour la nucléation/croissance 40
  - 2.6.3. Observations expérimentales de nucléation métastable 41
  - 2.7. Modèle à deux-étapes 44
  - 2.7.1. Description du modèle à deux-étapes 44
  - 2.7.2. Observations expérimentales 47
  - 2.8. Conclusions 47
  - Chapitre 3 : Stabilité thermodynamique et cinétique globale de transformation
  - 3.1. Stabilité et instabilité thermodynamique dans un système vitreux 49
  - 3.1.1. Stabilité et postulats de la thermodynamique [117] 50
  - 3.1.2. Condition de stabilité - Retour à l'équilibre 52
  - 3.1.3. Description thermodynamique de la transition vitreuse 58
  - 3.2. Approche phénoménologique de la cinétique de transformation 66
  - 3.2.1. Transformation par germination et croissance - vitesses constantes 67
  - 3.2.2. Transformation par germination et croissance - vitesse de croissance constante, vitesse de germination dépendante du temps 70
  - 3.2.3. Forme générale de l'équation cinétique 71
  - 3.2.4. En pratique 71
  - 3.3. Conclusion 75
  - Chapitre 4 : Processus de démixtion dans les verres
  - 4.1. Introduction 77
  - 4.2. Description thermodynamique de la séparation de phase 78
  - 4.2.1. Notion de solubilité dans les solutions idéales 78
  - 4.2.2. Immiscibilité dans les solutions régulières 79
  - 4.2.3. Description des domaines d'immiscibilité dans les verres 82
  - 4.3. Cinétique de la démixtion 88
  - 4.3.1. Influence du mode de diffusion 88
  - 4.3.2. Cinétique de la démixtion par nucléation croissance 89
  - 4.3.3. Décomposition spinodale - Approche de Cahn et Hilliard 89
  - 4.4. Influence de la structure des verres sur la tendance à la démixtion 91
  - 4.4.1. Modèles structuraux - systèmes binaires silicatés et boratés 91
  - 4.4.2. Influence de l'ajout d'élément sur la démixtion 96
  - 4.4.3. Les outils de caractérisation structurale 98
  - 4.5. Caractérisation de la démixtion 98
  - 4.5.1. Étude de la démixtion métastable 99
  - 4.5.2. Étude de la démixtion stable qui se prolonge dans le domaine métastable 99
  - 4.5.3. Exemple de mode de démixtion 102
  - Chapitre 5 : Approche cristallochimique des principales phases cristallines observées dans les vitrocéramiques
  - 5.1. Introduction 107
  - 5.2. Les phases cristallines silicatées 108
  - 5.2.1. Généralités 108
  - 5.2.2. Les six familles de silicates 110
  - 5.2.3. Les polymorphes de la silice 118
  - 5.3. Les phosphates 123
  - 5.3.1. Conséquence de la pentavalence du phosphore 123
  - 5.3.2. Les familles de phosphates 123
  - 5.3.3. Précipitation de cristaux non-phosphates à partir de verres de phosphates 131
  - 5.4. Autres phases cristallines 131
  - 5.5. Conclusion 135
  - Chapitre 6 : Élaboration et contrôle de la microstructure des vitrocéramiques
  - 6.1. Enjeux de la maîtrise de la microstructure dans les vitrocéramiques 137
  - 6.2. Paramètres contrôlables 138
  - 6.2.1. Composition du verre parent 138
  - 6.2.2. Mécanisme de nucléation/croissance 138
  - 6.2.3. Traitement thermique 139
  - 6.3. Procédés d'élaboration 140
  - 6.3.1. Méthodes classiques 140
  - 6.3.2. Nouveaux procédés d'élaboration 142
  - 6.4. Méthodes de caractérisation 143
  - 6.4.1. L'analyse thermique (chapitre 8) 144
  - 6.4.2. La diffraction sur poudre (chapitres 7, 10 et 13) 144
  - 6.4.3. Les microscopies (chapitre 9) 145
  - 6.4.4. Les spectroscopies (chapitre 11, 12 et 13) 146
  - 6.5. Types de microstructure 146
  - 6.5.1. Microstructures sphéroïdales 146
  - 6.5.2. Microstructures en aiguilles 150
  - 6.6. Conception de vitrocéramiques à propriétés désirées par contrôle des mécanismes de cristallisation 152
  - 6.6.1. Nucléation en volume 153
  - 6.6.2. Nucléation de surface 154
  - 6.6.3. Double nucléation 155
  - 6.7. Perspectives 155
  - Chapitre 7 : Diffraction des rayons X et vitrocéramiques
  - 7.1. Rappels 158
  - 7.1.1. Interactions RX/matière 158
  - 7.1.2. Diffusion par un atome 159
  - 7.1.3. Loi de Bragg 162
  - 7.1.4. Réseau réciproque et diffraction 163
  - 7.1.5. Intensité diffractée et termes correctifs 164
  - 7.1.6. Profils des pics de Bragg 168
  - 7.2. Préparation d'échantillon et géométrie d'acquisition 175
  - 7.2.1. Préparation d'échantillon 175
  - 7.2.2. Géométrie d'acquisition 175
  - 7.3. Analyse quantitative 175
  - 7.3.1. Échantillon dont les phases ont un faible contraste d'absorption 176
  - 7.3.2. Échantillon à contraste d'absorption intermédiaire 177
  - 7.3.3. Quantification en présence d'une phase « amorphe » 178
  - 7.3.4. Exemple de quantification de phases dans un verre nucléaire 180
  - 7.4. Au-delà d'une analyse DRX classique 182
  - 7.5. Conclusion 183
  - Chapitre 8 : Calorimétrie et analyse thermique différentielle pour l'étude des verres
  - 8.1. Quelles méthodes calorimétriques pour étudier les propriétés thermiques d'un verre ? 185
  - 8.1.1. Classification des méthodes calorimétriques 186
  - 8.1.2. Quels moyens disponibles à haute température ? 189
  - 8.2. Analyse thermique différentielle 192
  - 8.2.1. Principe de mesure 192
  - 8.2.2. Analyse thermique différentielle quantitative : étalonnage 193
  - 8.2.3. Cas particulier : méthode incrémentale (ISO 11357-4) 198
  - 8.2.4. Analyse calorimétrique différentielle à balayage à température modulée 199
  - 8.2.5. Exploitation en refroidissement 200
  - 8.2.6. Conseils pratiques 200
  - 8.3. Explorer l'état surfondu d'un verre par ATD 201
  - 8.3.1. Transition vitreuse 201
  - 8.3.2. La cristallisation, un événement exothermique 203
  - 8.4. Conclusion 208
  - Chapitre 9 : Microscopie électronique appliquée à l'étude de la nucléation et de cristallisation dans les verres
  - 9.1. Microscopie électronique à balayage 211
  - 9.2. Microscopie électronique en transmission 212
  - 9.2.1. Principe 212
  - 9.2.2. Techniques d'imageries MET 214
  - 9.2.3. STEM-HAADF 219
  - 9.2.4. EELS 221
  - 9.2.5. Imagerie chimique : Energy Filtered TEM-EFTEM 222
  - 9.2.6. Correction des aberrations : en HRTEM et STEM 224
  - 9.2.7. Préparation des échantillons 225
  - 9.3. Nucléation/croissance 225
  - 9.3.1. Observation et nature des premiers cristaux 225
  - 9.3.2. Mécanismes de nucléation et rôle des agents nucléants 226
  - 9.3.3. Cristallisation secondaire 228
  - 9.4. Hétérogénéités et séparation de phase 229
  - 9.5. Conclusions 230
  - Chapitre 10 : Diffusion aux petits angles des rayons X et des neutrons
  - 10.1. Introduction 233
  - 10.2. Diffusion des rayons X et des neutrons : spécificités et complémentarité 233
  - 10.2.1. Diffusion aux petits angles et diffraction 234
  - 10.2.2. Ordres de grandeurs 234
  - 10.2.3. Montages expérimentaux 235
  - 10.2.4. Préparation des échantillons 235
  - 10.3. Distances et phénomènes sondés 236
  - 10.3.1. Fluctuations de densité thermiques 237
  - 10.3.2. Fluctuations de concentration thermiques 237
  - 10.3.3. Fluctuations supercritiques 237
  - 10.4. Notions de base pour la diffusion aux petits angles 238
  - 10.4.1. Le facteur de forme P(Q) 238
  - 10.4.2. Le facteur de structure S(Q) 240
  - 10.5. Analyse des données 241
  - 10.6. Exemples d'applications 245
  - 10.6.1. Exemple d'une séparation de phase liquide-liquide dans un verre contenant du molybdène 245
  - 10.6.2. Autres exemples d'étude de la séparation de phase 248
  - 10.6.3. Application des méthodes SANS et SAXS à l'étude de la nucléation 249
  - 10.6.4. Exemple d'études de nucléation et cristallisation dans un verre par SANS 250
  - 10.6.5. Nucléation et cristallisation dans un verre de cordierite par SAXS 251
  - 10.7. Conclusion 252
  - Chapitre 11 : La résonance magnétique nucléaire : un outil pour comprendre le désordre et la cristallisation dans les matériaux vitreux
  - 11.1. Introduction 255
  - 11.2. Les principes de base de la RMN 258
  - 11.2.1. Les interactions en RMN : une signature de l'environnement local 258
  - 11.2.2. Les outils de la RMN du solide haute résolution 259
  - 11.3. Signature spectrale du désordre en RMN et sa résolution 263
  - 11.3.1. RMN des systèmes désordonnés 263
  - 11.3.2. Couplage RMN et modélisation atomistique 267
  - 11.4. Application à la cristallisation 269
  - 11.5. Conclusion 275
  - Chapitre 12 : La spectrométrie Raman : un outil de choix pour l'étude des mécanismes de nucléation et de croissance cristalline
  - 12.1. Introduction 283
  - 12.2. Principe de la spectrométrie Raman 284
  - 12.3. Instrumentation et analyse 286
  - 12.3.1. Spectromètre Hololab 5000 286
  - 12.3.2. Le spectromètre T64000 et le système confocal 287
  - 12.3.3. Volume d'échantillonnage 288
  - 12.3.4. Intensité des spectres Raman 289
  - 12.3.5. Corps noir et capacité à faire des mesures in sutu à hautes températures289
  - 12.3.6. Correction de l'effet de la température et de la longueur d'onde excitatrice 291
  - 12.4. Divers exemples d'étude 291
  - 12.4.1. Identification des phases et nucléation dans le système CaO-Al₂O₃-SiO₂, CAS 292
  - 12.4.2. Mesures ex situ d'une cristallisation de silico apatite dans une matrice borosilicatée292
  - 12.4.3. Étude in situ de la cristallisation de silico-apatite dans une matrice borosilicatée299
  - 12.4.4. Cristallisation induite par impact laser dans un verre de GeO₂ 300
  - 12.4.5. Démixtion du molybdène dans un verre borosilicaté 301
  - 12.5. Avantages et inconvénients 303
  - Chapitre 13 : Grands instruments, vers des approches in situ de la cristallisation
  - 13.1. L'absorption des rayons X 311
  - 13.1.1. Principes 311
  - 13.1.2. Applications et résultats 312
  - 13.2. Diffraction des rayons X et des neutrons 315
  - 13.3. Fours non-conventionnels adaptés sur grands instruments 317
  - 13.3.1. La lévitation aérodynamique 318
  - 13.3.2. Le micro-four (fil chauffant) 318
  - 13.4. Conclusion 320
  - Chapitre 14 : Les applications commerciales des vitrocéramiques
  - 14.1. Introduction 327
  - 14.2. Microstructure et formation des vitrocéramiques 327
  - 14.2.1. Microstructure 327
  - 14.2.2. Formation des vitrocéramiques par nucléation et croissance de cristaux 329
  - 14.3. Propriétés des vitrocéramiques 332
  - 14.4. Applications des vitrocéramiques 333
  - 14.4.1. Vitrocéramiques transparentes à faible dilatation 334
  - 14.4.2. Autres vitrocéramiques transparentes 336
  - 14.4.3. Vitrocéramiques usinables 337
  - 14.5. Conclusion 340
  - Chapitre 15 : Biomatériaux en verre et vitrocéramiques
  - 15.1. Introduction 341
  - 15.2. Applications dentaires 342
  - 15.2.1. Matériaux pour les structures 342
  - 15.2.2. Matériaux pour l'esthétique (cosmétiques) 343
  - 15.2.3. Reconstruction osseuse 344
  - 15.2.4. Revêtements bioactifs 345
  - 15.3. Applications en orthopédie 346
  - 15.3.1. Verres et vitrocéramiques monolithiques 346
  - 15.3.2. Composites à matrice polymère 347
  - 15.4. Verres et vitrocéramiques biocides 350
  - 15.5. Conclusion 350
  - Chapitre 16 : Coloration par des nanoparticules métalliques
  - 16.1. Introduction 351
  - 16.2. Plasmons de surface dans les colloïdes métalliques 352
  - 16.3. Verres rubis à l'or et rouges de cuivre 359
  - 16.3.1. Verres rubis à l'or 359
  - 16.3.2. Rouges de cuivre 361
  - 16.4. Les céramiques lustrées 364
  - 16.5. Conclusion 368
  - Chapitre 17 : Vitrocéramiques transparentes
  - 17.1. Intérêt des vitrocéramiques transparentes 371
  - 17.2. Transparence dans les vitrocéramiques 372
  - 17.2.1. Principe général 372
  - 17.2.2. Diffusion de la lumière dans les vitrocéramiques transparentes 372
  - 17.2.3. Synthèse de vitrocéramiques transparentes 374
  - 17.2.4. Cas particulier : l'opalescence 375
  - 17.3. Propriétés et applications 376
  - 17.3.1. Vitrocéramiques transparentes à base d'oxydes 377
  - 17.3.2. Vitrocéramiques transparentes à base de fluorures/d'oxyfluorures 381
  - 17.3.3. Vitrocéramiques transparentes à base de chalcogénures 383
  - 17.4. Perspectives 385
  - Chapitre 18 : Formation et applications des nanoparticules dans les fibres optiques à base de silice
  - 18.1. Pourquoi développer des fibres optiques contenant des nanoparticules ? 387
  - 18.1.1. Généralités sur les fibres optiques 387
  - 18.1.2. Des nanoparticules pour des fibres « augmentées » 389
  - 18.2. Contraintes sur les caractéristiques des particules 390
  - 18.3. Procédés de fabrication des fibres optiques vitrocéramiques 391
  - 18.3.1. Procédé « Rod-in-tube » 391
  - 18.3.2. Procédé « double-creuset » 392
  - 18.3.3. Procédé MCVD, dopage par solution et étirage 392
  - 18.3.4. Procédé sol-gel 393
  - 18.3.5. Traitement thermique supplémentaire et intégration des nanoparticules 393
  - 18.4. Applications des fibres optiques vitrocéramiques 394
  - 18.4.1. Encapsulation des ions luminescents dans des nanoparticules 395
  - 18.4.2. Nanoparticules métalliques 397
  - 18.5. Conclusion 398
  - Chapitre 19 : Les vitrocéramiques pour l'optique non linéaire et l'optique non linéaire pour les vitrocéramiques
  - 19.1. Introduction 399
  - 19.2. Grandeurs et phénomènes optiques non linéaires 400
  - 19.2.1. Non linéarité d'ordre deux 400
  - 19.2.2. Non linéarité d'ordre trois 401
  - 19.3. Vitrocéramiques pour l'optiques non-linéaire 402
  - 19.3.1. Non linéarité du deuxième ordre et génération de second harmonique 402
  - 19.3.2. Non linéarité de troisième ordre et absorption saturable 407
  - 19.4. Optique non-linéaire et fabrication de matériaux vitrocéramiques 409
  - 19.4.1. Les agrégats métalliques et particules métalliques 412
  - 19.4.2. Transition de phase initiée par laser femtoseconde 413
  - 19.5. Conclusion 414
  - Chapitre 20 : Micro et nanocristallisation orientée par laser pour induire des propriétés optiques non-linéaires
  - 20.1. Introduction 415
  - 20.2. Méthodes de préparation pour former localement des cristaux orientés présentant des propriétés optiques non linéaires 418
  - 20.3. Cristallisation orientée pour l'optique non-linéaire dans diverses familles de verres au moyen d'irradiation laser 421
  - 20.3.1. Croissance orientée de cristaux de LiNbO₃ dans des matériaux vitreux 421
  - 20.3.2. Croissance orientée de cristaux de Ba₂Ti(Ge,Si)₂O₈ dans des matériaux vitreux 423
  - 20.3.3. Croissance orientée de cristaux de LaBGeO₅ dans des matériaux vitreux 423
  - 20.3.4. Croissance orientée de cristaux de bêta-BBO dans des matériaux vitreux 424
  - 20.4. Conclusion 426
  - Chapitre 21 : Vitrocéramiques oxyfluorées
  - 21.1. Introduction 429
  - 21.2. Synthèse de vitrocéramiques oxyfluorées 430
  - 21.3. Genèse, tailles et morphologies des particules fluorées au sein de la matrice vitreuse en fonction de la terre rare 431
  - 21.4. Cristallinité et taille des particules fluorées en fonction de la durée du traitement thermique 436
  - 21.5. Contrainte induite par la matrice vitreuse et paramètre de maille de la phase cristallisée 437
  - 21.6. Propriétés optiques 439
  - 21.7. Conclusions et perspectives 440
  - Chapitre 22 : Nucléation, cristallisation et séparation de phases dans les verres de chalcogénures
  - 22.1. Introduction 441
  - 22.2. Vitrocéramiques chalcogénures pour l'optique infrarouge 442
  - 22.2.1. Vitrocéramiques pour l'optique non linéaire 443
  - 22.3. Amélioration des propriétés mécaniques 444
  - 22.3.1. Augmentation des rendements de luminescence 446
  - 22.4. Les tellurures à changement de phase : des matériaux remarquables pour le stockage de l'information 448
  - 22.5. Les chalcogénures conducteurs ioniques : rôle de la séparation de phase et de la cristallisation partielle sur les propriétés électriques 451
  - 22.5.1. Victrocéramiques chalcogénures pour le stockage électrochimique de l'énergie 451
  - 22.5.2. Les verres de chalcogénures photosensibles, résines potentielles de résolution sumbicronique 453
  - 22.5.3. Les verres de chalcogénures matériaux prometteurs pour le développement de mémoires ioniques 454
  - 22.6. Conclusion 457
  - Chapitre 23 : Vitrocéramiques pour le confinement de déchets
  - 23.1. Introduction 459
  - 23.2. Les matrices vitrocéramiques de confinement pour déchets hautement radioactifs 461
  - 23.2.1. Nature et origine des déchets hautement radioactifs. Objectifs du confinement 461
  - 23.2.2. Les matrices vitrocéramiques de confinement pour déchets non séparés 464
  - 23.2.3. Les vitrocéramiques de confinement spécifique 473
  - 23.3. Les matrices vitrocéramiques de confinement pour déchets toxiques et dangereux non radioactifs 480
  - 23.3.1. Les déchets toxiques ou dangereux non-radioactifs : des origines et des compositions variées 480
  - 23.3.2. Vitrification et vitrocéramisation des déchets non-radioactifs 480
  - 23.4. Conclusion 486
  - Chapitre 24 : Émaux cristallins
  - 24.1. De la céramique traditionnelle à la formulation des glaçures 487
  - 24.2. De la découverte du rôle du zinc 489
  - 24.3. Autres compositions cristallines pour émaux mats 496
  - 24.4. Autres exemples de cristallisations contrôlées 498
  - 24.5. Conclusion 499
  - Chapitre 25 : Bibliographie
  - Index579
Origine de la notice:
- FR-751131015