Mullite

La mullite est un silicate d'aluminium[1],[2].

La mullite a été décrite en 1924 par N.L. Bowen et J.W. Greig ; la même année, avec E.G. Zeis, ils lui ont donné son nom qui rappelle l'Île de Mull où elle a été observée pour la première fois.

Ce solide cristallin a été identifié initialement comme un composé stœchiométrique d'oxyde d'aluminium (III) et d'oxyde de silicium (IV) dont la composition est 3Al2O3,2SiO2 soit en masse, 72 % d'oxyde d'aluminium et 28 % d'oxyde de silicium.

Mullite[3]
Famille Subnésosilicate (sous-groupe des nésosilicates)
Importance


  • La mullite est très commune dans les produits artificiels
Champ de vision : 4 mm
Formule de composition Composition chimique non constante,
généralement 3Al2O3,2SiO2
Forme des cristaux Habituellement allongés, de structure aciculaire
Système cristallin Orthorhombique
Dureté Mohs 6 - 7,5

Formation de la mullite

Formation naturelle

La mullite est rare dans la nature, son dépôt naturel le plus important étant celui de l'Île de Mull où elle s'est formée dans des conditions exceptionnelles, très semblables à celles demandées pour la production de mullite artificielle : hautes températures et pressions relativement basses[4].

Production de mullite artificielle

Comme indiqué précédemment, cette production nécessite de hautes températures et des pressions relativement basses.

Les silicates hydratés d'aluminium, les mélanges artificiels d'alumine et de silice, etc., se transforment en mullite par cuisson à haute température[5].

Les silicates d'aluminium anhydres naturels, sillimanite (orthorhombique), andalousite (orthorhombique) et kyanite (triclinique), qui répondent à la formule chimique Al2SiO5, se transforment à haute température en mullite, avec libération de silice, selon la réaction irréversible (transformation irréversible, la mullite étant stable à toutes les températures)[6] :

Les creusets de Hesse, réputés pour leur grande résistance aux agents très réactifs et aux hautes températures, étaient obtenus par chauffage à température élevée d'argile kaolinithique. Les creusets du Moyen Âge tardif retrouvés contiennent de la mullite, qui serait à l'origine de leurs propriétés exceptionnelles[7].

Mullite et sillimanite

La mullite a même structure que la sillimanite et on peut la considérer comme résultant du remplacement d’un certain nombre d’atomes de silicium Si par des atomes d’aluminium Al. Les spectres IR permettent l’identification de la substitution d’atomes de Si par des atomes d’Al, ce remplacement se faisant de manière « statistique ». La sillimanite bien organisée donne des bandes fines qui sont remplacées par des bandes très diffuses dans le cas de la mullite de structure désordonnée[8].

Morphologie des cristaux

La morphologie aciculaire des cristaux (allongés, en forme d'aiguilles ou de bâtonnets) s'explique par la structure de la mullite formée de chaînes d'octaèdres AlO6 et de tétraèdres SiO4 et AlO4 parallèles à la direction d'allongement[9].

Structure de la mullite en 3D
Coupes de la sillimanite et de la mullite

 

Composition
Tétraèdre AlO4 ou SiO4

 
 La mullite peut présenter des écarts importants, par rapport à la stœchiométrie, sa composition pouvant en effet évoluer entre 3Al2O3,2SiO2 (mullite 3:2) et 2Al2O3,SiO2 (mullite 2:1) En fait c’est une solution solide de composition Al2[Al2+2xSi2-2x]O10-x avec 0,17 ≤ x ≤ 0,5, les différentes stœchiométries étant obtenues par substitution d’atomes Si par des atomes Al dans les sites tétraédriques[10].

 

La mullite dans le diagramme de phases silice-alumine
Diagramme de phases du système SiO2 – Al2O3.

La mullite est la phase la plus importante dans le diagramme de phases SiO2 – Al2O3. La cuisson à haute température, sous la pression atmosphérique, des mélanges d'alumine et de silice donne lieu à la formation de mullite. La transformation est irréversible, la mullite étant stable à toutes les températures[11] : elle est donc très répandue dans les produits artificiels (« réfractaires sillimanitiques »). Néanmoins, elle est rare dans les roches naturelles, qui se sont formées sous des pressions élevées.

Sur le diagramme[12], la mullite de composition déterminée 3Al2O3,2SiO2 apparaît sous la forme d’une phase intermédiaire[13] à l’abscisse 72 % (en masse) d’Al2O3. Cette mullite, désignée sous le nom de « mullite composé chimiquement défini » (mullite ccd)[14], est, avec la silice SiO2, le constituant des solides (alliages céramiques[15]) obtenus dans la partie gauche du diagramme (de 0 à 72 % en masse d’alumine). Dans la partie droite du diagramme, la petite ligne oblique en haut du diagramme (portion du solidus comprise entre 1850 et 1840 °C et entre 72 et environ 74 % Al2O3) caractérise, en dessous d’elle, la zone d’existence d’un solide appelé solution solide. Cette solution solide, de composition variable, désignée sous le nom de « mullite solution solide » (mullite s.s.), est la phase intermédiaire de la partie droite du diagramme ; elle est, avec l’alumine Al2O3, le constituant des alliages céramiques obtenus dans cette partie du diagramme[16].

Notes et références
  1. C. A . Jouenne, op. cit., p. 629.
  2. G. Aliprandi, op. cit., p. 225, 300.
  3. Sources des informations : C. A. Jouenne, op. cit., p. 595 - G. Aliprandi, op.cit., p. 233-235.
  4. G. Aliprandi, op. cit., p. 234.
  5. G. Aliprandi, op. cit., p. 227, 233.
  6. C. A. Jouenne, op. cit., p. 206 - G. Aliprandi, op. cit., p. 233.
  7. 21st century technology cracks alchemists' secret recipe. University College London. Sur le site eurekalert.org
  8. C. A. Jouenne, op. cit., p. 153, 595
  9. [PDF] Bulletin de l'union des physiciens - no 790-791 (consacré aux matériaux) - Janv.-Fév. 1997 - Article : Matériaux céramiques - Structure et propriétés, p.  187. Voir l'article .
  10. [PDF] Élaboration de matériaux poreux à base de mullite par procédé SHS, Thèse de doctorat d’Université (2009), p. 5, 6 (vignettes 12, 13).
  11. G. Aliprandi, op. cit., p. 233.
  12. Le diagramme présenté ici est celui établi par Bowen et Greig (cf. C. A. Jouenne, op. cit., p. 95).
  13. Voir Jean P. Mercier et al., op. cit., p. 221, 222 et fig. 8.21 p. 223.
  14. Voir par exemple le sujet [PDF] du Baccalauréat Technologique – section Génie des Matériaux (session 1997). On a affaire à un ccd chaque fois que le point d'intersection d'une branche verticale du solidus avec le liquidus est à un maximum du liquidus (cf. G. Hilly, C. Chaussin, op. cit., p. 40, 41) ; coordonnées du point d'intersection sur le diagramme présenté : (72 % Al2O3, 1850 °C).
  15. Jean P. Mercier et al., op. cit., p. 225, 226.
  16. Cette façon de décomposer les diagrammes de phases complexes en une suite de diagrammes plus simples les rend beaucoup plus faciles à analyser (Jean P. Mercier et al., op. cit., p. 222). Ici, le diagramme a été décomposé en deux diagrammes à eutectique : 0 - 72 % Al2O3 et 72 - 100 % Al2O3 (diagrammes type plomb-étain : voir Introduction à la science des matériaux : Diagrammes binaires et transformations de phase sur Wikiversité).

Bibliographie
  • C. A. Jouenne, Traité de Céramiques et Matériaux Minéraux, Éditions Septima, Paris,1990.
  • G. Aliprandi, Matériaux réfractaires et céramiques techniques, Éditions Septima, Paris,1979, Réimpression : .
  • Jean P. Mercier, Gérald Zambelli, Wilfried Kurz, Traité des matériaux, Vol.1 - Introduction à la science des matériaux, 3e éd., Presses polytechniques et universitaires romandes, 1999 (ISBN 2-88074-402-4).
  • G. Hilly, C. Chaussin, Cours de métallurgie, 6e éd., Éditions Dunod, 1975 (ISBN 2-04-007195-4).

Lien externe
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