Study in-situ ceramization of glasses by impedance spectroscopy
Etude in-situ de la céramisation des verres par spectroscopie d'impédance
Résumé
Glass-ceramics find applications in many fields such as the biomedical field where glass-ceramics are used as bone filling materials or as dental prosthesis, but also in the military field and even in our kitchens, as hotplates or cooking plates due to their thermal shock resistance properties. However, the mechanisms of the nucleation stage that precedes the growth stage from glass to glass-ceramics remain misunderstood to scientists, making it difficult to implement and optimise new processes.The main objective of this thesis is to develop a protocol for the analysis of glasses in temperature based on impedance spectroscopy measurements. To this end, different families of glass have been considered, including lithium silicates ("model" glasses), lithium aluminosilicates and sodium borosilicates. Through in situ (temperature-dependent) and ex situ (tempered glass after heat treatment) studies, we were able to highlight the signatures of the vitreous and crystalline phases. Thus, we were able to follow thermal phenomena such as nucleation, growth but also phase separation and more precisely the temperatures at the beginning and end of this phenomenon, which is difficult to observe. These studies by impedance spectroscopy are completed by structural and microstructural (X-ray diffraction and Raman spectroscopy in situ, NMR, Scanning Electron Microscopy) and thermal (Differential Scanning Calorimetry) analyses, which have enabled us to associate electrical and dielectric modifications with structural and microstructural modifications.
Les vitrocéramiques trouvent des applications dans de nombreux domaines tels que le biomédical où des vitrocéramiques sont utilisées comme matériaux de comblement osseux ou comme prothèse dentaire, mais encore dans le domaine militaire et jusque dans nos cuisines, en tant que plaques ou plat de cuisson pour leurs propriétés de résistance aux chocs thermiques. Cependant, les mécanismes de l’étape de nucléation qui précède l’étape de croissance pour passer d’un verre à une vitrocéramique restent encore mal compris des scientifiques, ce qui complique la mise en place et l’optimisation de nouveaux procédés.L'objectif principal de cette thèse est de développer un protocole d’analyse des verres en température basé sur des mesures par spectroscopie d’impédance. A cet effet, différentes familles de verre ont été considérées, dont les silicates de lithium (verres « modèles »), les aluminosilicates de lithium et borosilicates de sodium. Nous avons pu mettre en évidence au travers d’études in situ (en fonction de la température) et ex situ (verres trempés après traitement thermique) les signatures des phases vitreuses et cristallines. Ainsi, nous avons pu suivre les phénomènes thermiques tels que la nucléation, la croissance mais aussi la séparation de phase et plus précisément les températures de début et de fin de ce phénomène, difficilement observable par d'autres méthodes. Ces études par spectroscopie d’impédance sont complétées par des analyses structurales et microstructurales (Diffraction des Rayons X et spectroscopie Raman in situ, RMN, Microscopie électronique à balayage) et thermiques (Calorimétrie différentielle à balayage), nous ayant permis, dans leur globalité, d’associer les modifications électriques et diélectriques aux modifications structurales et microstructurales.
Origine : Version validée par le jury (STAR)