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RÉSUMÉ
La mise au point de procédés industriels et de matériaux pour les nouvelles technologies pour l'énergie fait l'objet d'une recherche dynamique menée au sein du CEA/DAM (Direction des Applications Militaires), notamment via son centre du Ripault. Le procédé jet d'encre est présenté dans cet article en guise d'exemple. Le jet d'encre est une technique qui suscite l'intérêt de nombreux industriels et laboratoires de recherche pour réaliser des motifs de très petite taille (quelques centaines de ?m) à base de matériaux céramiques. La mise au point d'encres inorganiques constitue le verrou principal de cette technologie appliquée aux revêtements céramiques localisés. L'originalité de la démarche décrite réside dans l'utilisation de la chimie sol-gel pour élaborer des encres. Deux exemples sont présentés, un dans le domaine des piles à combustible haute température et l'autre dans celui des sondes haute fréquence pour l'imagerie médicale.
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Philippe BOY : CEA/Le Ripault
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Chrystel AMBARD : CEA/Le Ripault
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Bruno FOUSSERET : CEA/Le Ripault
INTRODUCTION
La mise au point de procédés industriels et de matériaux pour les nouvelles technologies pour l'énergie font l'objet d'une R dynamique menée au sein du CEA/DAM (Direction des Applications Militaires), notamment via son centre du Ripault. Le procédé jet d'encre est présenté dans cet article en guise d'exemple. Le jet d'encre est une technique qui suscite l'intérêt de nombreux industriels et laboratoires de recherche pour réaliser des motifs de très petite taille (centaine de μm) à base de matériaux céramiques. La mise au point d'encres inorganiques constitue le verrou principal de cette technologie appliquée aux revêtements céramiques localisés. L'originalité de la démarche proposée ici réside dans l'utilisation de la chimie sol-gel pour élaborer des encres. Les deux exemples présentés concernent la préparation de solutions sol-gel spécifiques pour des applications dans les domaines des piles à combustible haute température et des sondes « haute fréquence » pour l'imagerie médicale.
Within its Centre Le Ripault, CEA/DAM has been leading an active R for developing manufacturing processes and materials for energy new technologies. One example of process studied at CEA/Le Ripault is presented in this article : inkjet printing. Several industries and research laboratories are interested in the inkjet printing process to realize patterns with high definition (few hundred micrometers) using ceramics materials. Inorganic inks preparation is the aim key to succeed in this technology when applied to patterned ceramic coatings. Here, sol-gel chemistry is an original approach to elaborate inks. Two examples are given here : the first one deals with solid oxidefuel cells, and the last one concerns high frequency transducers for medical imaging.
jet d'encre, dépôts localisés, encre sol-gel, piles à combustible, imagerie médicale
ink jet, sol-gel ink, fuel cell, medical patterned layers imaging
Domaine : traitement de surface, revêtements céramiques
Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : Procédé jet d'encre
Domaines d'application : micro-piles, cellules photovoltaïques, microélectronique, imagerie médicale
Principaux acteurs français :
Centres de compétence : CEA – Le Ripault
Pôles de compétitivité :
Autres acteurs dans le monde :
Contact : [email protected] ou [email protected]
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Exemple 2 : réalisation de barrettes piézoélectriques4. Exemple 1 : formulation d'oxyde de cuivre (II) pour la réalisation d'anode de pile SOFC
Il s'agit de réaliser une anode de pile à combustible à électrolyte solide (SOFC) fonctionnant à haute température.
C'est au niveau de l'anode que prend place la réaction d'oxydation de l'hydrogène avec les ions oxygène provenant de la cathode par conduction ionique au travers de l'électrolyte pour former de l'eau et un flux d'électrons (figure 7). Il est donc nécessaire que l'anode soit formée d'un alliage céramique-métal (cermet) permettant la conduction électronique et la conduction ionique des ions oxygène.
Le métal sélectionné pour former le cermet de l'anode est le cuivre. Celui-ci est apporté aux matériaux constitutifs de l'anode sous forme de ténorite (oxyde de cuivre (II) – CuO), qui sera ensuite réduite lors du test en pile sous la forme de cuivre métallique. Le métal ainsi formé permet de constituer un réseau métallique interconnecté et bon conducteur électronique. La technologie jet d'encre, couplée au procédé sol-gel, est envisagée pour mettre en forme l'anode.
Usuellement, les encres céramiques utilisées pour la technique d'impression jet d'encre sont élaborées par une approche top-down. Celle-ci consiste à broyer par attrition des poudres micrométriques (ou plus grossières) en présence de dispersants organiques et permet ainsi d'obtenir des poudres de taille submicronique.
La chimie sol-gel permet une approche bottom-up grâce à la synthèse de CuO sous forme de sol colloïdal stable nanométrique, utilisé par la suite pour formuler les encres d'impression. Cette approche par chimie sol-gel présente aussi l'avantage de limiter l'utilisation d'adjuvants organiques (liant, plastifiant et tensioactif) qui sont à l'origine de retraits importants et de porosités supplémentaires lors des traitements thermiques des dépôts réalisés par jet d'encre.
Le procédé de synthèse se décompose en deux principales étapes que sont l'hydrolyse et la condensation de précurseurs métalliques permettant de former un réseau covalent. L'étape d'hydrolyse se schématise par la réaction :
L'étape de condensation se représente comme suit :
...
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Exemple 1 : formulation d'oxyde de cuivre (II) pour la réalisation d'anode de pile SOFC
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BARDAINE (A.) - Élaboration de films piézoélectriques de PZT par procédé sol-gel composite : application à la transduction ultrasonore haute fréquence. - Thèse de doctorat, université François Rabelais, Tours (2008).
-
(2) - BELLEVILLE (P.), BOY (P.), MONTOUILLOUT (Y.) - Method of preparing a stable lead zircono-titanate sol and method for preparing films based on same. - US Patent US20040014820 (2004).
-
(3) - BOY (P.), BELLEVILLE (P.), BIGARRE (J.), MONTOUILLOUT (Y.) - Stable PZT sol for reparing reproducible high-permittivity perovskite-based thin film. - J. Sol-Gel Sci., Technol, 43, p. 213-221 (2007).
-
(4) - BARDAINE (A.), BOY (P.), BELLEVILLE (P.), ACHER (O.), LEVASSORT (F.) - Improvement of composite sol-gel process for manufacturing 40 mm piezoelectric thick films. - J. Eur. Ceram. Soc., 28, p. 1649-1655 (2008).
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