Substitution des terres rares utilisées pour la stabilisation de la zircone : vers des zircones stabilisées plus frugales

La zircone (ZrO₂) est très largement utilisée notamment dans le secteur des biomatériaux grâce à ses très bonnes propriétés combinées en termes de tenue mécanique, chimique et de biocompatibilité. Cette céramique, à l’état pur, subit des transformations de phases : monoclinique (température ambiante à 1170°C), quadratique (1170°C à 2370°C) et cubique (températures supérieures à 2370°C) au cours d’un traitement thermique. Ces transformations sont accompagnées d’un changement volumique au niveau de la maille cristalline, qui entraînent une dégradation au refroidissement à partir de la température de frittage. La zircone pure n’est donc pas utilisable en pratique. Aussi, des dopants, tels que l’yttrium ou le cérium sont couramment utilisés sous forme oxyde, pour maintenir la zircone dans sa forme quadratique, métastable, après frittage. Une des particularités des zircones dopées est alors que, sous sollicitation mécanique ou thermique, les grains quadratiques se transforment localement en grains monocliniques accompagné d’une augmentation de volume de la maille, permettant de bloquer une éventuelle propagation de fissures ou de défauts préexistants. Les zircones dopées, transformables sous contrainte, possèdent donc des ténacités et des contraintes à la rupture parmi les plus élevées de toutes les céramiques.

Cependant, dans un contexte actuel de sobriété environnementale où les enjeux de ressources naturelles deviennent primordiaux dans l’élaboration de matériaux, la question de l’utilisation des terres rares pour une céramique aussi largement utilisée, se pose. L’objectif de cette thèse est de développer une zircone nanométrique stabilisée à partir d’oxyde de magnésium ou de calcium, matières premières moins critiques en termes d’approvisionnement et de coût. Des travaux existent sur la fabrication de ces poudres dopées et stabilisées. Toutefois, une étude complète permettant de mettre en relation l’élaboration, la microstructure et les propriétés de ces céramiques, en les comparant aux zircones yttriées classiques à iso-microstructure (densité, taille de grains) permettrait une grande avancée vers une utilisation plus courante de ces céramiques.

Le travail se focalisera sur l’élaboration de céramiques par frittage, ainsi que sur leur caractérisation microstructurale (microscopie électronique, DRX…). Un intérêt particulier sera porté sur la répartition des dopants dans les grains de zircone. Des essais mécaniques avant et après vieillissement hydrothermal permettront de caractériser l’efficacité de stabilisation de la zircone.