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Céramiques transparentes - Caractéristiques générales et procédés de fabrication

Article de référence | Réf : E6419 v1

Céramiques transparentes - Caractérisation, propriétés et applications

Auteur(s) : Rémy BOULESTEIX, Alexandre MAÎTRE

Date de publication : 10 sept. 2018

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RÉSUMÉ

Cet article traite dans un premier temps des techniques d’analyse adaptées à la caractérisation des principaux défauts (pores, inclusions, impuretés, etc.) pouvant altérer la transparence optique des céramiques. L’identification et la quantification des défauts restent peu aisées dans ces matériaux du fait de leur très faible concentration ce qui nécessite la mise en place de méthodes adaptées. Ces méthodes reposent essentiellement sur la microscopie optique ou électronique ainsi que sur la spectroscopie. Dans un second temps, les propriétés des céramiques transparentes les plus courantes sont décrites en lien étroit avec leurs grands domaines d’applications scientifiques et industrielles.

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ABSTRACT

Transparent Ceramics Characterization, properties and applications

This article first deals with analysis techniques adapted to the characterization of the main defects (pores, inclusions, impurities, etc.) that can impair the optical transparency of ceramics. The identification and quantification of defects is not easy in these materials because of their very low concentration, which requires the implementation of appropriate methods. These methods are mainly based on optical or electronic microscopy and on spectroscopy. In a second part, the properties of the most common transparent ceramics are described in close relation to their major fields of scientific and industrial application.

Auteur(s)

Rémy BOULESTEIX : Maître de conférences - Institut de recherche sur les céramiques, IRCER UMR CNRS 7315, Université de Limoges, France
Alexandre MAÎTRE : Professeur - Institut de recherche sur les céramiques, IRCER UMR CNRS 7315, Université de Limoges, France

INTRODUCTION

De par leur nature et les procédés de fabrication utilisés, les céramiques transparentes doivent permettre de combiner les propriétés des monocristaux (compacité, pureté, homogénéité) et les caractéristiques des céramiques (facilité de mise en forme, pièces de grande taille, flexibilité de composition). Elles permettent aussi d’accéder à des performances thermo-mécaniques exacerbées (résistance mécanique, ténacité, résistance aux chocs thermiques), ce qui les rend particulièrement adaptées pour des applications où de fortes contraintes thermiques et/ou mécaniques sont exercées.

Plusieurs compositions sont aujourd’hui élaborées sous forme de céramiques polycristallines transparentes, tels que l’alumine, le YAG Y₃Al₅O₁₂, le spinelle MgAl₂O₄, le fluorure de calcium CaF₂ ou le séléniure de zinc. La variété des matériaux disponibles permet de couvrir une large gamme d’applications, telles que l’éclairage, l’horlogerie, le blindage ou les lasers de puissance. Néanmoins, une des principales limites des céramiques transparentes polycristallines obtenues par frittage de poudres reste la présence de défauts résiduels, en particulier la porosité, qui altèrent leur transparence optique par diffusion de la lumière. La caractérisation de ces défauts, qui reste peu aisée du fait de leur très faible proportion dans les céramiques transparentes (< 0,1 % vol.), nécessite l’utilisation de techniques adaptées.

La première section de cet article vise à présenter des méthodes de caractérisation qui permettent d’accéder à la nature et, éventuellement, à la quantité de défauts résiduels dans des céramiques transparentes en vue de l’optimisation de leur fabrication. Une deuxième section détaille les propriétés physico-chimiques des céramiques transparentes les plus courantes, ainsi que des exemples d’applications industrielles et scientifiques.

Les propriétés générales et les procédés de fabrication des céramiques transparentes ont été détaillés dans l’article [E 6 418].

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des notations utilisées.

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KEYWORDS

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BIBLIOGRAPHIE

(1) - BOULESTEIX (R.), MAÎTRE (A.), BAUMARD (J.-F.), RABINOVITCH (Y.) - Quantitative characterization of pores in transparent ceramics by coupling electron microscopy and confocal laser scanning microscopy. - Mater. Lett., 64, p. 1854-1857 (2010).
(2) - BRAVO (A.C.) - Élaboration de céramiques transparentes de Yb:Sc₂O₃ pour applications laser. - Thèse de doctorat de l’Université de Limoges (2008).
(3) - CHRÉTIEN (L.) - Relations entre le procédé céramique et les propriétés optiques de céramiques transparentes de type YAG:Nd : rôle des étapes de mise en forme et de frittage. - Université de Limoges (2014).
(4) - BOULESTEIX (R.), EPHERRE (R.), NOYAU (S.), VANDENHENDE (M.), MAÎTRE (A.), SALLÉ (C.), ALOMBERT-GOGET (G.), GUYOT (Y.), BRENIER (A.) - Highly transparent Nd:Lu₂O₃ ceramics obtained by coupling slip-casting and spark plasma sintering. - Scripta Materialia, 75, p. 54-57. doi:10.1016/ j.scriptamat.2013.11.016 (2014).
(5) - SUTORIK...

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Philips https://www.philips.com/a-w/ceramics.html

Schott http://www.schott.com/france/french/index.html

Solcera https://www.solcera.com/

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