Septembre 2004 - n°91
Gros plan sur le Département Caractérisation de la Société Française de Céramique
Après une présentation globale de la Société
Française de Céramique (SFC), en novembre dernier, nous vous
proposons aujourd’hui de découvrir plus amplement son Département
Caractérisation : Analyses Chimiques, microstructurales et physiques.
Six personnes collaborent aujourd’hui dans le cadre de ces trois unités,
au service des équipes de recherche de la SFC ainsi que des fabricants
et utilisateurs de céramique. Rappelons que la SFC développe
ses activités sur trois champs d’investigation : la représentation
technique des industries céramiques, la recherche technologique et
les essais et caractérisations.
Points communs à tous ces travaux ? La céramique, au sens large
du terme : céramiques techniques (électronique, automobile,
aéronautique, aérospatial, biomédical, environnement,
cosmétique, pharmacie, chimie…), réfractaires façonnés
ou non façonnés, mais aussi appareils sanitaires et articles
de table, jusqu’aux matières premières, pâtes et
émaux…
Les Analyses Chimiques
En matière de caractérisation chimique et physico-chimique,
la Société Française de Céramique dispose des
compétences et deséquipements lui permettant de proposer des
analyses de grande qualité, depuis la simple détermination des
constituants majeurs, au dosage d’éléments en traces,
que ce soit sur des matériaux solides ou des solutions.
“ Pour chaque cas, le choix des techniques utilisées répond
aux besoins spécifiques du demandeur : précision, coût,
délais ”, précise M. Eric POULAIN, Directeur de la
SFC. “ Le marché des Matériaux et celui de l’Environnement
sont les deux principaux domaines d’application de nos prestations…
”
l’Environnement :
La SFC a développé un pôle de compétences
dans la caractérisation de déchets destinés à
être entreposés dans des centres d’enfouissement technique
: de par les techniques mises au point (percolation ascendante en colonne,
percolation soxhlet, lixiviation par centrifugation), elle oriente et renseigne
les industriels sur le caractère d’inertie de leurs déchets
solides. En outre la SFC est régulièrement amenée à
contrôler les eaux usées et de station d’épuration
des usines (dosage des cations, du fluor, du chlore, des nitrates… dans
les eaux usées, les eaux industrielles, les lixiviats…).
les Matériaux :
Les analyses de matériaux concernent tant les matières
premières que les produits finis, les minéraux, les résidus,
les dépôts… Les services proposés par la Société
Française de Céramique vont alors de la préparation des
échantillons solides (broyage < 100 µm, mise en solution,
extraction solide-liquide), à l’analyse des éléments
présents à plus de 0,1 % (y compris les éléments
volatiles tels que Cl, S, Hg, As), jusqu’au dosage deséléments
en traces, de 10 à 1000 ppm (cations, Al, Ti, Si, Fe, Ca, Mg, Na, K…).
Parmi les principales techniques utilisées par la Société
Française de Céramique, figure la spectrométrie de fluorescence
X, sur perles et sur poudre :
sur
perles, pour une analyse quantitative.
“ Dans ce cas, l’échantillon, associé à
un fondant – du tétraborate de lithium et lanthane - , subit
une cuisson thermique à 1100°C pour obtenir un verre de surface
plane et homogène”, nous explique Mme LELLOUCHE.
sur poudre pour une analyse qualitative et semi-quantitative.
“ Les pastilles de poudre compactée sont constituées
du produit à analyser mélangé à un enrobant ”,
souligne Mme Olivia
LELLOUCHE. L’enrobant généralement employé est
l’acide borique. Il a l’avantage de couler très facilement
sur la spatule, mais ses grains, relativement gros, empêchent parfois
une analyse parfaite de l’échantillon.“ C’est
pourquoi, depuis quelques mois, nous développons et testons un nouvel
enrobage constitué de cire ”, poursuit Mme LELLOUCHE. “
La poudre, beaucoup plus fine, élimine tout problème de granulométrie
trop élevée et permet de doser le bore… ”
A noter également, entre autres équipements du service
Analyses Chimiques :
- un spectromètre d’émission en plasma d’argon (ICP)
pour l’analyse de traces,
- un ionomètre équipé d’électrodes spécifiques
pour le dosage de fluor et du chlore,
- un extracteur par percolation à chaud (Soxhlet) ou lixiviation, pour
simuler le comportement d’un déchet en décharge par lessivage
puis analyse sur les lixiviats des composés réglementés
au plan environnemental,
- un spectrophotomètre pour le dosage des anions, sulfates, nitrates…
il faut souligner par ailleurs que la Société Française
de Céramique occupe une position de premier plan pour la réalisation
des tests d’alimentarité sur les articles de table : des tests
réalisés ayant objectif de contrôler le relargage des
éléments Pb et Cd par les articles de table en contact avec
des aliments. Le Laboratoire est d’ailleurs accrédité
par le COFRAC (Comité Français d’Accréditation)
pour ces mesures. En moins de 6 mois, cette année, il a réalisé
plus de 300 analyses d’échantillons, soit 4 à 5 fois plus
qu’en 2002 !
Le service Analyses Chimiques de la SFC a par ailleurs fait l’acquisition
en mai dernier d’un nouveau spectromètre d’absorption atomique
dans la flamme et l’a équipé d’un four graphite,
en vue de nouveaux développements analytiques. Ainsi, toujours utilisée
pour les tests d’alimentarité, marché où la SFC
occupe véritablement une position de leader national, la spectrométrie
d’absorption atomique pourrait également s’ouvrir à
d’autres types de prestations liées au dosage d’ultra-traces.
L’industrie des céramiques techniques et le secteur des eaux
résiduaires (pour la mise en décharge) sont particulièrement
concernés…
Les Essais Physiques
Les prestations proposées par le pôle “ Essais Physiques
” du service Caractérisations de la SFC comprennent la caractérisation
des poudres, des textures et des surfaces ainsi que l’analyse thermique
et la rhéologie à chaud.
La caractérisation de poudres telles qu’argiles, sables, alumines
et céramiques techniques, fait appel à l’analyse granulométrique,à
la détermination de la surface spécifique et à la mesure
de la masse volumique absolue. Cette dernière est d’ailleurs
réalisée par pycnométrie au xylène, sous accréditation
COFRAC.
L’analyse des textures concerne tous produits et matériaux poreux.
Elle se base sur la détermination de la taille et de la répartition
des pores, obtenue par porosimétrie à mercure (entre 300 µm
et 60 Å).
Quant aux surfaces, elles sont caractérisées par la mesure de
la rugosité et de la micro-dureté de Vickers…
Les analyses thermiques sont réalisées sur poudres, matières
premières et compositions, jusqu’à 1400°C avec possibilité
d’être en atmosphère contrôlée (azote, air
ou argon).
L’analyse thermogravimétrique (ATG) détecte la variation
de masse d’un échantillon au cours de sa cuisson. L’analyse
thermique différentielle (ATD) enregistre les phénomènes
exo- ou endothermiques (enthalpie) d’un échantillon en fonction
de la température afin de déterminer les réactions occasionnées.
“ En général, les deux se font simultanément
”, remarque Mme Maryline PILASTRE, technicienne au sein du Département
Caractérisation de la SFC. “ Les échantillons réduits
en poudre sont placés dans des creusets en alumine ou en platine, puis
mis au four. Le four monte en température, tandis qu’une balance
relieé à l’ordinateur détermine le gain ou la perte
de masse. La comparaison de cette variation avec celle enregistrée
dans un creuset témoin permet de caractériser l’existence
de pics endo ou exothermiques. ”
Notez qu’avec ce même appareil, le laboratoire d’Essais
Physiques de la SFC réalise également, sur des échantillons
amorphes (déjà cuits), des mesures de chaleur spécifique
et de conductivité thermique par comparaison des flux thermiques transmis
par la référence et l’échantillon, des mesures
de température de fusion…
Les analyses microstructurales
Les prestations proposées par le pôle Microstructure
du service Caractérisations de la SFC peut aller de la simple analyse
de phases minéralogiques ou observations d’échantillons
à la recherche approfondie d’origine de défauts dans des
pièces ou descriptions de microstructures en collaboration avec les
autres équipes de la SFC. Le délai d’intervention peut
être très rapide, sous 24 h, par exemple, dans le cas d’un
défaut de fabrication !
Premiers domaines d’investigation de l’équipe Microstructure
?
la caractérisation des matières premières et l’étude
de leur transformation cristallographique en fonction de la température
par analyse qualitative et/ou quantitative des divers constituants (argiles,
feldspaths, sables, zircon, carbures…),
l’analyse de produits en cours de fabrication : description morphologique
et analyse fine de produits élaborés, microstructure, analyse
chimique ponctuelle, répartition élémentaire et minéralogie,
taux de graphitisation des produits carbonés, examen des causes de
piqûres et tous désordres de fabrication…
l’expertise et l’étude des problèmes rencontrés
sur produits finis : étude des phénomènes de corrosion
dans les produits réfractaires , examen post-mortem des désordres
dans le domaine des matériaux.
Appareils de diffraction X, microsonde de Castaing, analyseur d’images,
stéréomicroscope et microscope optique… : le parc instrumental
du pôle Microstructure est sans doute l’un des seuls en France
à être équipé de la sorte.
Notez que la microsonde de Castaing lui permet d’effectuer des analyses
élémentaires d’un volume de matière de l’ordre
du micron-cube ; “ ce qui donne de nombreuses possibilités
de caractérisation : analyses d’inclusions et de défauts
divers, analyses de cristaux et grains, analyses de phases inter-cristallines
ou inter-granulaires, profils de concentrations à une interface, images
de répartition des éléments… ”, nous
précise Maryline PILASTRE.
Les analyses peuvent être qualitatives (obtenues par la réalisation
de photos à images X à partir d’un faisceau d’électrons
focalisé sur un point très précis) ou quantitatives (prenant
en compte une moyenne de plusieurs points de mesure).
La diffraction RX, quant à elle, est réalisée sur deux
postes : l’un est doté d’un passeur d’échantillons
pour une caractérisation à température ambiante ; l’autre
estéquipé d’un four 1500 °C en atmosphère contrôlée.
“ Les analyses sont effectuées à partir d’échantillons
réduits en poudre, de façon aussi bien qualitative que quantitative
: identification des phases minérales en présence et, si besoin
est, estimation simultanée de leurs proportions ”, ajoute
Olivia LELLOUCHE.
Le marché couvert par la SFC dans ce domaine est national, voire même
européen. L’industrie de la céramique ainsi que celle
des produits de métallurgie sont les plus demandeurs, mais d’autres
secteurs tels que le biomédical sont eux-aussi clients de la SFC. “
Il nous a déjà été demandé, par exemple,
d’étudier par diffraction X une prothèse de hanche explantée
d’un patient ”, remarque Mme LELLOUCHE.
D’autres applications de l’analyse par diffraction des rayons
X sont en développement, notamment dans le domaine de l’analyse
et la quantification de phases minéralogiques dans les matrices de
carbures de silicium.
" le pôle Microstructure est de plus en plus sollicité
par les industriels de tous domaines : notre microsonde est sans conteste
un outil de caractérisations puissant, permettant de remonter à
l’origine de défauts de production ou d’expliquer la cause
de corrosions. C’est pourquoi nous allons nous équiper d’une
deuxième microsonde qui sera installée dans nos locaux fin août.
Cette acquisition devrait nous permettre d’augmenter notre activité
en expertise et de toucher d’autres secteurs que ceux liés à
la céramique, secteurs pour lesquels nous sommes déjà
sollicités (fonderie, bâtiment). Un laboratoire doté de
2 microsondes au service des industriels est une véritable première
en France et va nous donner une force de frappe et une reconnaissance nationale
et européenne. " souligne Sophie AUCLERC, responsable du
service Caractérisations.
N’hésitez pas à contacter la Société Française
de Céramique pour en savoir plus.
Ses spécialistes sont à votre écoute…
SD