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Améliorer la matière

La rédaction
L'innovation dans les matériaux passe dorénavant, entre autres, par l'amélioration des qualités fonctionnelles de leurs surfaces, grâce à de multiples traitements. On retrouve parmi eux toute la gamme des dépôts basés sur la technologie sol-gel. Un procédé chimique à l'impact environnemental minimal. Amélioration des caractéristiques optiques, résistance à la rayure, à la corrosion, à la salissure, meilleure accroche des peintures : les applications sont multiples dans de nombreux secteurs industriels.

C 'est en s'inspirant de la nature, et plus particulièrement des diatomées et des coccolites, des algues enveloppées par une couche de silice, que des chimistes ont réussi à obtenir des réseaux d'oxydes à des températures inférieures aux températures d'élaboration des verres et des céramiques. Ce manteau de silice qui les protège est fabriqué à des températures proches de 20 °C. Un paradoxe lorsque l'on sait que pour fabriquer un verre, il faut atteindre des températures généralement supérieures à 1 200 °C !

Cette chimie dite « douce », car réalisée à température modérée, permet d'obtenir des réseaux d'oxydes métalliques synthétisés à partir d'espèces ioniques ou moléculaires en solution qui polymérisent entre elles. Cette polymérisation d'espèces minérales peut se décomposer suivant des réactions successives d'hydrolyse et de condensation.

1. LE PROCÈDE SOL-GEL : Une chimie « douce »

Pour faire un parallèle avec la notion de polymérisation utilisée dans le monde des chimistes organiciens, la réaction d'amorçage est initiée par les réactions d'hydrolyse en milieu aqueux des précurseurs d'alcoxydes métalliques. L'étape de propagation de chaîne est ensuite réalisée par des réactions de polycondensation.

Cet arrangement réalisé à l'échelle moléculaire permet d'obtenir des réseaux d'oxyde tridimensionnel dont les propriétés peuvent être ajustées en fonction des paramètres de synthèse. Ainsi, les cinétiques des réactions d'hydrolyse et de condensation peuvent être contrôlées à façon en jouant sur le pH, la température de synthèse, la nature du groupement environnant R et la quantité d'eau. Le ratio des espèces hydrolysées et condensées peut ainsi être ajusté suivant les propriétés visées.

Lors des étapes successives d'hydrolyse et de condensation, les espèces moléculaires grossissent progressivement en se liant les unes aux autres et en formant des espèces intermédiaires. Ces particules colloïdales, état intermédiaire de la matière entre la solution et le solide, caractérisent l'état de « Sol » : soit des solides dispersés dans un liquide. C'est en se liant entre elles et en se condensant que ces particules passent alors dans l'état de « Gel » : soit des liquides dispersés dans un solide ; d'où le nom de procédé sol-gel.

Une fois le gel obtenu, ce dernier subit une étape de séchage, qui permet au matériau final de pouvoir se présenter sous des formes différentes telles que des matériaux massifs (monolithe de verres ou céramiques, préforme pour fibres), une poudre, un gel poreux, une membrane, une couche mince, un revêtement ou encore des aérogels obtenus par séchage supercritique sous pression et température contrôlées (Fig. 1).

Outre le fait que la fabrication de matériaux massifs ou d'aérogels demande une grande maîtrise du procédé de fabrication, ces matériaux nécessitent également un long temps d'élaboration et des coûts résultants souvent élevés. Les applications les plus matures se trouvent donc aujourd'hui dans le domaine des revêtements pour l'optique, l'aéronautique, le médical ou la protection des surfaces. Le procédé sol-gel offre désormais de nouvelles voies de développement dans la fonctionnalisation de surfaces via la création de nouvelles générations de matériaux.

2. LES TECHNOLOGIES LIQUIDES : Une mise en oeuvre simple

Le procédé sol-gel permet de fabriquer des réseaux d'oxydes métalliques et plus particulièrement des couches minces vitreuses d'une très grande pureté optique. C'est donc dans ce domaine qu'il trouve ses principales applications et, par conséquent, peut entrer en compétition avec les techniques de dépôt sous vide.

Les principaux avantages de ce procédé sont sa simplicité et sa rapidité de mise en oeuvre, l'obtention de revêtements sur des formes complexes et la possibilité de réaliser des systèmes multicouches. Pour cela, les techniques de mise en oeuvre en voie[…]

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