Thèse en cotutelle : « Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence (France) » / La fabrication additive, ou impression 3D, regroupe un ensemble de procédés de mise en forme des matériaux par ajout de matière, en opposition avec les méthodes "traditionnelles" soustractives, comme par exemple l'usinage. De nombreux procédés de fabrication additive existent, et divers matériaux sont exploitables par impression 3D, comme des métaux, des polymères ou des céramiques. En revanche, très peu de solutions ont pour l'instant été proposées pour l'impression de verre, principalement à cause des hautes températures de travail nécessaires. L'objectif de cette thèse est donc de réaliser la fabrication additive de verres phosphates, avantageux pour leurs températures de travail plus faibles et recherchés pour leurs applications dans l'optique ou les biomatériaux. Cela passe par le développement de compositions de verres phosphates adaptées avec de basses températures de transition vitreuse. Dans un premier temps, des verres de composition (50 - x) P₂O₅ - 25 Na₂O - 25 K₂O - x M₂O₃ (%ₘₒₗ), avec M = Al ou Ga et x entre 0 et 10 %ₘₒₗ, ont été étudiés. La composition la plus optimale a ensuite été imprimée via un procédé de dépôt de fil fondu grâce à une imprimante commerciale pour polymères modifiée. Afin d'obtenir des objets imprimés en verre qui sont transparents, il a fallu optimiser les paramètres d'impression pour éliminer les potentiels défauts. Des caractérisations sur les pièces imprimées en verre ont permis d'estimer que la porosité résiduelle était inférieure à 0,02 %. Grâce à ce procédé de fabrication additive de verres phosphates, l'impression de composants optiques à géométries complexes et aux propriétés uniques est envisageable. Un deuxième axe d'étude concerne l'élaboration de verres phosphates hydratés transparents, dont la température de transition vitreuse est inférieure à 100 °C et pouvant être synthétisés à seulement 300 °C. Ces matériaux innovants ont été caractérisés par spectroscopies Raman, infrarouge et RMN afin d'en déterminer la structure. Des groupements -OH sont observés au sein du réseau phosphate, agissant comme des modificateurs du réseau vitreux et sont donc à l'origine des modifications des propriétés du verre. En ajoutant de l'oxyde de zinc à la composition, il est possible d'améliorer la résistance à la dissolution des verres phosphates hydratés tout en maintenant leur transparence et leur basse température de transition vitreuse. Ces nouveaux matériaux ouvrent la voie à des nouvelles voies de fonctionnalisation, dont certaines ont été étudiées avec la réalisation de fibres multimatériaux verre oxyde-polymère et l'inclusion de nanoparticules de trioxyde de tungstène. / Additive manufacturing, also known as 3D printing, refers to a set of manufacturing techniques by adding matter, as opposed to the more 'traditional' subtractive methods, such as machining. There are a lot of very different additive manufacturing processes, as well as a diversity of printable materials, including metals, ceramics and polymers. However, very few solutions have been developed so far for the printing of glass. The main obstacles are the very high processing temperatures required. The main objective of this thesis is to enable the additive manufacturing of phosphate glasses. These glasses are advantageous for their lower working temperatures and are also known for their applications in optics and biomaterials. To that purpose, convenient phosphate glass compositions with low glass transition temperatures were developed. The first system studied was (50 - x) P₂O₅ - 25 Na₂O - 25 K₂O - x M₂O₃ (%ₘₒₗ), with M = Al ou Ga and x between 0 and 10 %ₘₒₗ. The most ideal composition studied in the system was then successfully printed following a fused deposition modeling process, using a modified commercial polymer 3D printer. To obtain printed glass objects that are transparent, printing parameters were finely tuned to avoid potential defects. The residual porosity of printed glass objects is estimated to be lower than 0.02 %. Being able to print phosphate glasses with this process enables the fabrication of optical parts with complex geometries and unique properties. Transparent hydrated phosphate glasses were also studied. These materials exhibit a glass transition temperature below 100 °C and could be synthetized at temperatures as low as 300 °C. The structure of these new materials was then investigated, using Raman, infrared and NMR spectroscopies. -OH groups were found within the phosphate network, where they act as network modifiers, causing the modification of the glass' properties. By adding zinc oxide to the glass composition, it is possible to make the hydrated phosphate glasses more resistant to dissolution while keeping their transparency and their low glass transition temperature. These materials enable new functionalization possibilities, some of which were studied. For instance, glass-polymer composite fibers were made, and tungsten trioxide functional nanoparticles were integrated in a hydrated phosphate glass matrix.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/117886 |
| Date | 13 December 2023 |
| Creators | Kaser, Simon |
| Contributors | Cardinal, Thierry, Messaddeq, Younès, Galstian, Tigran |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xv, 157 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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