Comportement à la cristallisation et approches structurales des verres aluminosilicatés de terres rares (Ln = La, Y et Sc)

Crystallization and structural approaches of rare earths aluminosilicate glasses (Ln = La, Y, Sc)

¹ PROMES, CNRS, Rambla de la Thermodynamique, Tecnosud, 66100 Perpignan, France
e-mail: Najim.Sadiki@promes.cnrs.fr
² CEMHTI, CNRS, 1D av. de la Recherche Scientifique, 45071 Orléans Cedex 2, France

Reçu : 8 Octobre 2010
Accepté : 4 Février 2011

Résumé

L’étude du comportement à la cristallisation des verres aluminosilicatés de lanthane, d’yttrium et de scandium a été effectuée par analyse thermique différentielle (ATD) et diffraction des rayons X (DRX). L’analyse chimique des verres a été réalisée par microscopie électronique à balayage MEB-EDX et microsonde électronique (WDS) et la microstructure examinée par MEB. Les mesures du module de Young E et dureté H ont été effectuées par nano-indentation et celles des constantes élastiques C₁₁ et C₄₄ par diffusion Brillouin. Les résultats montrent de bons accords entre les modules de Young mesurés par nano-indentation, ceux déterminés par diffusion Brillouin et ceux calculés par les deux modèles Makishima-Mackenzie et Rocherullé. Les résultats ATD indiquent que (a) les températures de transition vitreuse T_g des verres yttriés et au scandium sont plus élevées que celles des verres au lanthane, la fusion observée pour les verres yttriés, et récemment sur les verres à base de scandium, correspond à la température de fusion de l’eutectique du ternaire Ln₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ (Ln = Y, Sc), (b) la stabilité thermique est fortement liée au rayon ionique de la terre rare. Les derniers résultats obtenus sur les verres à base de scandium confirment cette hypothèse. Sur toutes les compositions étudiées et quel que soient les conditions de recuit, les résultats indiquent l’existence de verre résiduel et toutes les phases observées en DRX sont en accort avec les diagrammes de phases publiés. Du point de vue structural, les études RMN montrent que la concentration des entités Al^v est directement liée au rayon ionique de la terre rare. Les études en rayonnement synchrotron et diffraction de neutrons indiquent que les distances inter-atomiques moyennes sont indépendantes de la concentration en terre rare et sont en très bon accord avec les données RMN.

Abstract

The crystallization behaviour of aluminosilicate glasses of lanthanum, yttrium and scandium has been studied by DTA, XRD, SEM-EDX and EPMA analysis. Young modulus E and hardness H have been measured by using nano-indentation and elastic modulus C₁₁ and C₄₄ by Brillouin scattering. The Young modulus measured by nano-indentation agree to those determined by Brillouin scattering and those calculated using Makishima-Mackenzie and Rocherullé model’s. The results of DTA analysis indicate that (a) the glass transition temperatures T_g are higher for yttrium and scandium containing glasses than their lanthanum counterparts, the melting observed in the yttrium glasses and recently in the scandium glasses correspond to the ternary eutectic Ln₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ (Ln = Y, Sc) (b) the thermal stability is strongly related to the ionic radii of the rare earth. The last results obtained on scandium containing glasses confirm this hypothesis. The XRD results show that the nature of the observed crystallised phases is consistent with the phase diagrams. We also have investigated by NMR-MAS of ²⁷Al (high field- 17.6 T) these glasses. The results indicate that Al^V species are correlated to the ionic radii of the rare earth. X-rays and neutron scattering experiments have been respectively performed on the high energy diffraction beam lines ID11 and ID15 at ESRF. The interatomic distances and first-shell coordination numbers were determined. The results are consistent with those performed by NMR-MAS.