Design des matières premières poudres au regard des propriétés recherchées pour la transparence

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1 Design des matières premières poudres au regard des propriétés recherchées pour la transparence A. Vivet, F. Paday, L. Bonneau Journée Technique des Céramiques Transparentes 2015 Baikowski

2 Baikowski dans son contexte Entreprise de 111ans ( ) : cœur de métier dans le tirage de monocristal de saphir Années 60 : diversification dans le nucléaire spinelle Années 80 : arrêt de l activité cristaux de saphir. Développement de poudres pour céramiques translucides (éclairage) Années 90 : développement dans le polissage de précision (CMP) Années 2000 : développement dans les biocéramiques Fait partie à 100% du groupe PSB 3 sites de fabrication (FR, US et JP) 95% à l export (40% EU, 30% US, 25% Asie) 175 employés dans le monde BAIKOWSKI - JTCT

3 Oxydes minéraux de spécialités : Démarche de Baikowski Compromis optimal entre propriétés d usage et matières premières Adapter la pureté à l application Céramiques transparentes Adapter la «processabilité» à l application Taux d exogènes... Adapter la taille/distribution de taille des particules à l application Contrôle densité couche, réactivité, frittage Adapter la composition phasique à l application ZTA, ATZ, YAG/Al 2 O 3, CeO 2 /ZrO 2, Spinelle Maîtrise de la formulation solide Adapter la forme des particules à l application Atomisation, granulation, fusion Adapter la densité à l application Fonctionnalisation, ajout d additifs Contrôle de la porosité & de la SSp BAIKOWSKI - JTCT

4 Céramique et transparence Pourquoi utiliser des céramiques polycristallines??? Les monocristaux possèdent une grande transparence (86% sur tout le spectre de longueur d onde [ nm] pour le saphir) Les polycristaux ont de meilleures propriétés mécaniques (dureté, résistance à l usure) avec un coût moins élevé Ils doivent néanmoins posséder une grande pureté chimique et pas de seconde phase qui pourrait être une source de diffusion de la lumière BAIKOWSKI - JTCT

5 Céramiques transparentes Deux cas de figure : Cristal à symétrie hexagonale : Alumine Al 2 O 3 matériau biréfringent (n différent selon l axe cristallin) diffusion par les pores ET par les joints de grains Cristal à symétrie cubique : Spinelle MgAl 2 O 4 matériau non biréfringent diffusion uniquement par les pores taille de grain non critique pour la transparence MAIS diminution de la taille de grain nécessaire pour améliorer les propriétés mécaniques BAIKOWSKI - JTCT

6 Transmission en ligne (RIT) & taille des pores RIT (%) théorique Al 2 O 3 et MgAl 2 O 4 d grain = 1 µm l = 640nm e = 0,88mm D pore (nm) BAIKOWSKI - JTCT

7 Transmission en ligne (RIT) & taille de grain RIT (%) théorique Al 2 O 3 d pore ~ 100nm l = 640nm e = 0,88mm D grain (mm) BAIKOWSKI - JTCT

8 Céramiques : la voie de la transparence Céramique/application 1 Une poudre minérale à propriétés contrôlées Une étape de finition 5 2 Une mise en forme optimisée Un protocole de densification adapté 4 Un contrôle chimique de la croissance cristalline 3 BAIKOWSKI - JTCT

9 Accès à l alumine ultra pure Synthèse de la matière première Sulfate d aluminium Al 2 (SO 4 ) 3 (fabriqué) Dissolution Purification Cristallisation Spécificité de la voie alun : + ALUN Sulfate d ammonium (NH 4 ) 2 SO 4 (Acheté) Traitement de l eau Al 2 (SO 4 ) 3 (NH 4 ) 2 SO 4, 24H 2 O Craquage thermique C Retraitement des gaz Synthèse de YAG et spinelle Broyage jet d air Broyage boulet Broyage humide Atomisation ALUMINE ALPHA α Al 2 O 3 Grossissement granulaire C ALUMINE GAMMA γ Al 2 O 3 Avantages de la voie alun : Contrôle fin des micro-mélanges : Poudre fabriquée têts par têts de 110g Homogénéité de la taille des cristallites Cristallites submicroniques toutes contrôlées en taille Homogénéité du lot BAIKOWSKI - JTCT

10 Intensité 1 Une poudre minérale à propriétés contrôlées Pureté chimique SSp BET (m²/g) 28.2 Analyse chimique (ppm) Na K Fe Si Ca Cr Mg Produit historique : S30CR Caractéristiques produit : propriétés contrôlées <1 < Pureté phasique Al 2 O 3 alpha # MgAl 2 O 4 spinel # theta (degrés) Contrôle de la granulométrie Possibilité d obtenir une céramique transparente!! = 75 mm ; Épaisseur = 8 mm, Résultat 2013 BAIKOWSKI - JTCT 2015 Optimisations possibles. Réactivité au frittage, teneur en soufre 11

11 Poudre spinelle S25CR Nouvelle poudre : S25CR Avantages de la S25CR: Amélioration de la réactivité au frittage La densité maximale peut être atteinte Une large plage de SSp peut être couverte De 7m²/g jusqu à 60m²/g Un taux de soufre fortement abaissé peut être obtenu Disparition de la coloration jaune des pièces transparentes 12

12 2 Une mise en forme optimisée Contrôle de l empilement des cristallites avant densification MgAl 2 O 4 Désagglomération maîtrisée d µ d µ essai 1 essai 2 d µ essai 3 Poudre initiale Particule élémentaire 0 0,01 0, taille des particules (µm) Suspension ± concentrée Poudres atomisées Poudre sèche à PSD - monodisperse - polydisperse Agglomération contrôlée BAIKOWSKI - JTCT

13 Un contrôle chimique de la croissance cristalline Mise en œuvre de dopants permettant la limitation du grossissement des grains au frittage Nature, quantité, localisation (ségrégation/précipitation) aux joints de grains, apparition de solution solide autant d éléments à contrôler pour optimiser l effet des dopants sur la microstructure et donc sur la transparence. Dopants sur Al 2 O 3 : Exemples d impact sur la transparence T frittage 380 ppm MgO 83 ppm ZrO 2 62 ppm La 2 O C 1270 C 1280 C RIT (640nm, e=0.88mm) 44,1 % 40,2 % 48,1 % Dopants sur S30CR ou/et S25CR : Exemples d impact sur la taille des grains Aide au frittage : ajout de LiF Limitation du grossissement granulaire : complexion BAIKOWSKI - JTCT

14 Poids relatif Poudre YAG Autre matériau pour la transparence : le YAG Y 3 Al 5 O 12 Mêmes propriétés d usage à respecter : Pas de pores > 50nm Pas de coloration (incontrôlée) Résistance mécanique élevée Maîtrise de : - La pureté chimique - La pureté phasique - La qualité de désagglomération Contrôle de la répartition granulométrique : Travail fin de la granulométrie : Amélioration de la réactivité au frittage Diamètres des particules (µm) BAIKOWSKI - JTCT

15 YAG pur Influence du process de synthèse YAG - Formulation 1 YAG - Formulation 2 YAG - Formulation 3 Qualité phasique du YAG optimisée! BAIKOWSKI - JTCT

16 YAG : incorporation d activateurs Contrôle de l incorporation de l activateur Terre-rare Voie alun permet une distribution homogène de l activateur dans la matrice YAG et ce, pour des tailles de cristallites submicroniques : YAG:Nd, YAG:Ce YAG:Pr Permet aussi une incorporation «aisée» de mélange d activateurs comme par exemple : YAG:Ce,Pr Etape de pré-frittage YAG pur YAG dopé BAIKOWSKI - JTCT

17 Conclusion Par la flexibilité des conditions de synthèse, les poudres Baikowski peuvent être mises en œuvre dans différents procédé d élaboration de céramiques transparentes (SPS, pressage, coulage, frittage HIP) et se caractérisent principalement par une très bonne aptitude au frittage, une grande pureté chimique et phasique. BAIKOWSKI - JTCT

18 MERCI pour votre attention