Le spodumène et son utilisation en céramique: un aperçu

Le spodumène est un minéral qui a un rôle important à jouer dans la céramique moderne: l’ajout de résistance aux chocs thermiques et à l’expansion - ce qui prolonge la durée de vie de la céramique.

Introduction

Le spodumène est un minéral de type pyroxène de formule chimique LiAl(SiO3)2. Il est principalement utilisé comme source de lithium métal, qui est isolé d’abord par grillage du spodumène puis par lixiviation dans de l’acide. Il est préféré aux autres méthodes en raison de la plus grande quantité de lithium qui peut être extraite. Dans d’autres domaines, le spodumène trouve des utilisations dans la céramique, comme fondant et en médecine. Dans la maison, le spodumène a trouvé une utilisation populaire et répandue en tant que phase cristalline du matériau vitrocéramique « Pyroceram » de Corning Glass pour la cuisson. Possédant une tolérance thermique élevée et une faible dilatation à haute température, le matériau était incroyablement populaire à partir de la fin des années 1950. Le spodumène, en particulier la phase β-spodumène, est responsable de ces propriétés impressionnantes. La plupart des spodumène naturels existent sous forme de structure cristalline de α-spodumène, la variante β la plus forte étant obtenue par chauffage. La République démocratique du Congo possède les plus grandes réserves prouvées de spodumène.

shutterstock_537960268 large

Utilisations en céramique

Dans le 'Pyroceram' de Corning, la vitrocéramique semblait être d’un blanc laiteux en coloration; laisser passer une quantité modérée de lumière; translucide. Les
céramiques
à base de spodumène ont trouvé leur popularité en raison des propriétés qu’elles portent, de leur résistance aux chocs thermiques, de leur tolérance aux températures élevées et de leur résistance à la dilatation thermique. De plus, les céramiques spodumène sont généralement considérées pour leur résistance et leur durabilité. En termes de procédés de fabrication, le spodumène frittage bien.

Résistance aux chocs thermiques

La résistance aux chocs thermiques fait référence à la capacité d’un matériau à ne pas se déformer ou se rompre lors d’un changement soudain et/ou dramatique de température. En raison de ses excellentes performances thermiques, le β-spodumène est souvent inclus dans d’autres céramiques pour aider à ajouter de précieuses propriétés de résistance aux chocs. Par exemple, il a été démontré que l’ajout de 15 % en poids de β-spodumène à l’alumine produit des céramiques présentant un décalage de dilatation thermique élevé(1). Les tests ont montré que la céramique dopée au spodumène présentait une dégradation de résistance minimale dans des conditions de choc thermique, par rapport à l’alumine pure qui ne fonctionnait pas aussi bien. Ce résultat se compare favorablement à d’autres céramiques composites d’alumine.

Dans la vitrocéramique, le spodumène et la silice sont utilisés. Les densités des vitrocéramiques résultantes sont augmentées après 3,5 heures ou plus de frittage. Dans ce processus, la taille moyenne des grains est passée de 0,55 à 0,67 μm avec une dureté augmentant à 5,47 GPa, parallèlement à une augmentation de la résistance à la flexion de 158 MPa. Il y a eu une augmentation proportionnelle de la résistance résiduelle et de la performance dans les essais de choc thermique. Les chercheurs expliquent ce phénomène par l’augmentation de la cristallinité et le pourcentage élevé de β-spodumène qui s’accompagne de durées de frittage et de calcination prolongées(2). Les performances de résistance aux chocs thermiques sont donc fortement influencées par les performances de résistance à la flexion.

Lorsqu’il est utilisé comme fondant, le spodumène est responsable d’un effet de densification dans la céramique résultante. Dans un exemple où les chercheurs développaient de la cordiérite-spodumène pour des applications de transmission de chaleur solaire, l’ajout de seulement 10% de β-spodumène était suffisant pour garantir une résistance à la flexion après 30 cycles de chauffage et de refroidissement (rapidement de 1 100 ° C à température ambiante) réduite de seulement 6%. Ce matériau très résistant a conservé pratiquement tout le spodumène après tous les cycles(3). Les auteurs suggèrent que cela pourrait être un matériau prometteur pour la transmission de chaleur dans la production d’énergie solaire thermique. S’appuyant sur les travaux de cordiérite-spodumène, l’ajout de 5 % d’andalusite a permis d’augmenter encore davantage les propriétés de choc thermique(4).

bols en grès
Bols

Résistance à la dilatation thermique

Le coefficient de dilatation thermique (CTE) est la mesure de l’ampleur de la dilatation d’un matériau à la température, les nombres inférieurs étant préférés.

Dans les céramiques de silice avec β-spodumène, l’anisotropie de la dilatation du matériau est plus grande avec un pourcentage croissant de silice(5). Le β-spodumène lui-même se forme en chaînes spiralées de tétraèdres Al-O dans un arrangement d’axe de vis, qui, bien que tendu, la déformation est soulagée à haute température par une réduction des angles de liaison dans les tétraèdres. Cela entraîne un plus grand niveau de stabilité(6).

Les vitrocéramiques β-spodumène fabriquées par un procédé de gel solaire suivi d’un pressage à chaud ont montré des CTE proches de zéro de -0,03 x 10-7 K-1 à -0,97 x 10-7 K-1 de température ambiante à 1 200 °C(7). Les chercheurs suggèrent que la raison de cette incroyable résistance à l’expansion est due aux phases cristallines très stables obtenues et à la cristallinité uniforme, qui dépendent toutes deux de l’excellent comportement de frittage du spodumène. Ces valeurs CTE négatives se réfèrent à un matériau qui est dilatométrique - c’est-à-dire les contrats de matière. On sait que c’est le cas pour le β-spodumène depuis 1951(8).

Un coefficient de dilatation thermique particulièrement faible dans les céramiques à spodumène peut être obtenu par l’utilisation d’un additif de frittage d’oxyde de lithium et d’oxyde de germanium. L’utilisation de seulement 3% en poids de cet additif dans un procédé à led au β-spodumène a abouti à une céramique avec un CTE de seulement 7,0 x 10-7 K-1 de température ambiante à 800 ° C (9). À titre de comparaison, la céramique aluminosilicate de lithium a un CTE de 3,2 x 10-7 K-1(10).

Des valeurs CTE négatives sont également observées dans le spodumène contenant des vitrocéramiques de nature plus exotique. Dans le cas des vitrocéramiques contenant du spodumène contenant de l’azote, les compositions riches en β-spodumène nitrurées qui cristallisent à 1 200 °C ont des CTE négatifs. La densité et la dureté du verre résultant sont considérablement augmentées. L’explication de ce phénomène est qu’à côté de la formation de β-quartz (voir ci-dessous), des atomes d’azote sont incorporés dans le réseau (11).

Considérations et observations pendant la fabrication

Comme pour toutes les céramiques, un processus de traitement thermique est une partie essentielle de la fabrication. Pendant le chauffage, le α-spodumène ou spodumène amorphe se transforme en ɣ-spodumène, dont la stabilité dépend de la vitesse de chauffage ainsi que du traitement mécanique préalable de l’échantillon (c’est-à-dire s’il a été broyé). Au fur et à mesure que la calcination se poursuit, ɣ-spodumène se transforme en β-spodumène, plus dans certains cas en β-quartz comme gangue, car certains des centres de lithium et d’aluminium sont remplacés par du silicium. En règle générale, commencer par un échantillon finement broyé entraînera une conversion plus complète en β-spodumène(12). La réduction de l’énergie peut être obtenue en transformant le spodumène dans un lit fluidisé(13).

Les chercheurs ont noté que lors de la formation de céramiques de spodumène, le corps devient beaucoup plus difficile à former lorsque la calcination a fait que la proportion de β-spodumène dépasse 50%. Pour les formes céramiques plus complexes avec ce matériau, il est donc important de moduler la température avec soin afin de ne pas dépasser trop tôt le niveau de 50%(14). Une méthode potentielle pour atténuer ce problème pourrait consister à modifier la teneur ou l’ajout de LiO2, qui a plus d’effet sur le comportement de frittage, parallèlement à d’autres oxydes(15).

Impact sur d’autres céramiques

L’ajout de spodumène dans la production de céramiques connues s’est avéré bénéfique en termes d’ajout de propriétés souhaitables. Dans la fabrication de céramiques de mullite, les chercheurs ont constaté qu’en utilisant le β-spodumène comme agent de frittage en phase liquide, la densité de la mullite augmentait (c.-à-d. était moins poreuse), le comportement de frittage était amélioré et la mullite se formait plus facilement à 1 550 °C(16). De plus, les auteurs affirment que la céramique mullite modifiée au spodumène possède des propriétés physiques et mécaniques supérieures à celles de la mullite seule.

Ces propriétés d’amélioration sont largement reprises par les chercheurs qui ont dopé des alumines frittées en phase liquide avec du β-spodumène(17). Ils ont constaté qu’en ajoutant du β-spodumène, la céramique produite contenait un mélange de spodumène cristallin et de matériau vitreux - ce qui a conduit à une céramique fortement performante mécaniquement, rivalisant avec toute céramique d’alumine disponible dans le commerce.

bols en céramique faits avec feldspath sur une étagère

Flottaison et récupération du spodumène

Un facteur important dans tout processus de production moderne est la minimisation des déchets - et le traitement de tous les déchets existants pour assurer une élimination sûre. Dans cette optique, la flottation du spodumène est un processus important dans la production de lithium métal (comme mentionné, principalement à partir de spodumène) et le spodumène résiduel et les composés de lithium peuvent être extraits des résidus de production de lithium. Comme le spodumène a un potentiel zêta négatif dans les solutions dont le pH est inférieur à 3(18), le spodumène peut potentiellement être retiré desdits résidus par collecte cationique, comme avec les amines. Des recherches ont montré que 90 % du spodumène des résidus miniers peut être extrait(19). La flottation est obtenue par addition d’oléate de sodium (250 g L-1) et de chlorure de calcium aux résidus(20). Le spodumène récupéré convient parfaitement à une utilisation en céramique(21), comme dans un exemple où des résidus de flottaison, du kaolin et de la poudre de verre à bas point de fusion ont été combinés pour produire une céramique très poreuse avec une valeur de résistance enviable de 5,60 MPa(22).

Résumé

  • Le spodumène est un minéral de formule LiAl(SiO3)2, qui est principalement utilisé comme source de lithium
  • Dans le monde de la céramique et de la vitrocéramique, le spodumène est apprécié pour ses excellentes propriétés de frittage
  • La résistance élevée aux chocs thermiques s’explique par l’augmentation de la cristallinité et de la résistance produite par des pourcentages plus élevés de β-spodumène
  • En termes de dilatation thermique, le spodumène offre d’excellentes caractéristiques à une céramique, certains coefficients de dilatation étant même négatifs.
  • β-spodumène est en grande partie responsable de la résistance impressionnante et des propriétés connexes, ainsi que de la formation de quantités modestes de quartz β dans certains systèmes.
  • La récupération du spodumène suffisant pour la production de céramique est possible par flottaison du spodumène
  • Dans l’ensemble, le spodumène est un matériau précieux pour la production de céramique

Références

1 B. A. Latella et al., J. Am. Ceram. Soc., 1999, 82, 819

2 H. Mohammad et al., Asiatique J. Ceram. Soc., 2021, 9, 507

3 C. Hu et al., Ceram. Int., 2016, 42, 13547

4 C. Hu et al., Ceram. Int., 2018, 44, 3240

5 J. P. Williams et coll., J. Am. Ceram. Soc., 1968, 51, 651

6 C.-T. Li et D. R. Peacor, Z. Kristallogr. Krist., 1968, 126, 146
7 G. Wen et al., Ceram. Int., 2012, 38, 5315
8 E. J. Smoke, J. Am. Ceram. Soc., 1951, 34, 131
9 T. Ogiwara et al., J. Am. Ceram. Soc., 2013, 96, 2577

10 L. Xia et al., Ceram. Int., 2020, 46, 28668

11 H. Unuma et al., J. Am. Ceram. Soc., 1991, 74, 1291

12 M. Altarawneh et al., Mineur. Eng., 2019, 140, 105883

13 E. Gasafi et R. Pardemann, Mineur. Eng., 2020, 148, 106205

14 E. M. El-Meliegy, Ceram. Int., 2004, 30, 1059

15 S. Knickerbocker et coll., J. Am. Ceram. Soc., 1989, 72, 1873

16 I. Low et al., J. Mater. Sci., 1997, 32, 3807

17 B. H. O’Connor et al., J. Am. Ceram. Soc., 1995, 78, 1895
18 J. Deng et al., Mineur. Eng., 2015, 79, 40

19 L. Wang et al., sept. Purif. Tech., 2016, 169, 33

20 S. Farrokhpay et al., Minerals, 2019, 9, 372

21 P. N. Lemougna et al., Ceram. Int., 2021, 47, 33286

22 L.-H. Xu et al., Trans. Soc de métaux non ferreux. Chine, 2021, 31, 9