Numerical and experimental study of the heating of alumina under microwave field in hybrid configuration. Application to sintering
Étude numérique et expérimentale du chauffage de l’alumine sous champ micro-onde en configuration hybride. Application au frittage
Résumé
The use of microwave heating to produce ceramics is an interesting way to obtain a faster densification compared to conventional heating. The objective of this thesis is to study, experimentally and numerically, the microwave sintering of alumina (Al2O3) in a 2.45 GHz single mode cavity in a hybrid configuration. For this purpose, silicon carbide (SiC) is used as a susceptor due to its high permittivity. The first part of this work focused on the study of the heating of parallelepipedic SiC samples. The first part of this work focused on the study of the heating of SiCparallelepipedic samples. It allowed, on the one hand, to validate the simulations carried out with the finite element simulation software COMSOL Multiphysics® and, on the other hand, to report on the evolution of the temperature field as a function of its orientation in the electric field. The results show that the heating is more efficient for certain orientations of the sample. A good agreement between experimental measurements and numerical results was obtained. This orientation is subsequently used to study experimentally and numerically the heating of alumina samples of different densities. The experimental results show that the lower the density of the sample, the higher the heating efficiency.Furthermore, a complex evolution of the sample temperature is observed. To analyse these experimental results, simulations with COMSOL were carried out. The third part of this thesis, resulting from a collaboration between the Mines Saint-Étienne and the CRISMAT laboratory in Caen, studies numerically and experimentally the sintering of alumina in hybrid configuration. The first results of this study show that all the power absorbed is by the susceptors which then heat the alumina sample by radiation. Again, the experimental trends are found numerically, and the main differences can be explained.
L’utilisation du chauffage micro-onde pour réaliser des céramiques est une voie intéressante permettant d’obtenir une densification plus rapide par rapport à un chauffage conventionnel.L’objectif de cette thèse est d’étudier, expérimentalement et numériquement, le frittage sous champ micro-onde de l’alumine (Al2O3) dans une cavité monomode 2,45 GHz, en configuration hybride.Pour cela, le carbure de silicium (SiC) est utilisé comme suscepteur en raison de sa permittivité élevée. La première partie de ce travail a porté sur l’étude du chauffage d’échantillons parallélépipédiques en SiC. Il a permis d’une part de valider les simulations réalisées avec le logiciel de simulation par éléments finis COMSOL Multiphysics®, d’autre part de rendre compte de l’évolution du champ de température en fonction de son orientation dans le champ électrique. Les résultats montrent que le chauffage est plus efficace pour certaines orientations de l’échantillon. Un bon accord entre les mesures expérimentales et résultats numériques ont été obtenus. Cette orientation est utilisée par la suite pour étudier expérimentalement et numériquement le chauffage d’échantillons d’alumine de différentes densités. Les résultats expérimentaux montrent que plus la densité de l'échantillon est faible, plus l'efficacité du chauffage est élevée. De plus, une évolution complexe de la température de l'échantillon est observée. Pour analyser ces résultats expérimentaux, des simulations avec COMSOL ont été réalisées. La troisième partie de cette thèse, issue d’une collaboration entre Mines Saint-Étienne et le laboratoire CRISMAT de Caen, étudie numériquement etexpérimentalement le frittage de l’alumine en configuration hybride. Les premiers résultats de cetteétude montrent que toute la puissance absorbée l’est par les suscepteurs qui chauffent ensuitel’échantillon d’alumine par rayonnement. Là aussi, les tendances expérimentales sont retrouvéesnumériquement, et les principales différences peuvent être expliquées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)