Ingénierie et synthèse de céramiques techniques par plasma thermique

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Le programme proposé vise le développement et la synthèse par plasma thermique de céramiques techniques issues de systèmes ternaires et quaternaires et, plus spécifiquement, le diagnostic des interactions plasma-précurseurs et la modélisation des écoulements réactifs se déroulant lors de la synthèse. La fabrication conventionnelle de céramiques techniques repose sur les voies sèche ou humide, suivies d'un long traitement thermique pour calciner et cristalliser les matériaux. Les synthèses et dépôts par plasma thermique permettent de réaliser ces étapes de calcination et cristallisation en quelques millisecondes, tout en offrant des phases et microstructures uniques. Les précurseurs sont injectés dans le plasma où ils sont fondus, voire évaporés et dissociés. Ils vont nucléer ou réagir, condenser et croître sous forme de nano/micro particules. Celles-ci sont trempées et récoltées sous forme de poudres ou projetées sur un substrat. Lorsque plusieurs précurseurs sont injectés, la stochiométrie, la phase et la morphologie sont difficilement contrôlables; les précurseurs affectent les propriétés du plasma et engendrent des interactions et réactions chimiques complexes. Pour faciliter l'adoption des plasmas thermiques par l'industrie des céramiques techniques et bénéficier des avantages qui en découlent, la compréhension des interactions plasma-précurseurs et de la thermochimie réactionnelle des écoulements pose d'importants défis fondamentaux. Pour les relever, le programme proposé s'attaquera à quatre objectifs : 1. Comprendre l'effet des précurseurs sur les propriétés du plasma, en cartographiant les interactions plasma-matière et les réactions chimiques à l'aide de la spectroscopie d'émission optique. 2. Développer et valider des modèles numériques d'écoulements réactifs plasma-précurseurs afin de prévoir la morphologie, la stochiométrie et la phase des céramiques techniques produites. 3. Intégrer les connaissances acquises à un outil de sélection/conception qui raccourcira le temps de développement en orientant le choix des précurseurs et des paramètres d'opération du plasma pour obtenir la morphologie, la stochiométrie et la phase souhaitées. 4. Appliquer les connaissances développées à la synthèse de matériaux de cathode et d'électrolytes solides pour les batteries au lithium. Les céramiques techniques sont essentielles pour relever les défis sociétaux en énergie, environnement et santé des prochaines décennies. Par exemple, l'électrification des transports exige des cathodes de batterie au lithium à haute densité d'énergie, comme les oxydes de Li, Ni, Mn, Co. Ce programme contribuera au renforcement de l'expertise canadienne en ajoutant les céramiques techniques à l'éventail des matériaux produits par plasma thermique. Les employeurs rechercheront du personnel hautement qualifié capable de non seulement fabriquer des céramiques techniques, mais aussi de concevoir et d'optimiser ces matériaux de pointe pour des applications durables.