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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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Lire l’articleAuteur(s)
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Rémy BOULESTEIX : Maître de conférences - Institut de recherche sur les céramiques, IRCER UMR CNRS 7315, Université de Limoges, France
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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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MOTS-CLÉS
spectroscopie microscopie céramiques transparentes lentilles optiques protection balistique lasers solides
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Notations
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4. Glossaire
MEB-FEG ; secondary electron microscopy with field emission gun
Technique de microscopie électronique où un faisceau d'électrons est « réfléchi » à la surface d’un échantillon. Elle permet de visualiser la surface d’un échantillon à l’échelle micro- voire nanométrique et peut être couplée à un système d’analyse chimique par EDXS.
EDXS ; Energy Dispersive X-ray Spectrometry
Technique d’analyse chimique semi-quantitative basée sur la détection de photons X émis par l’interaction entre un faisceau d’électrons et l’échantillon. Le signal est analysé en dispersion d’énergie.
MET ; transmission electron microscopy
Technique de microscopie électronique où un faisceau d'électrons est « transmis » à travers un échantillon très mince (quelques dizaines de nanomètres). Il existe deux principaux modes de fonctionnement : (i) le mode image où le contraste de l’image obtenue dépend essentiellement de la densité, de l’épaisseur et de la composition de l’échantillon ou (ii) le mode diffraction où l’image obtenue (constituée de taches et/ou ligne ou anneaux) correspond au faisceau diffracté par l’échantillon. Ce mode permet notamment de déterminer la structure cristallographique du matériau.
HAADF ; High Angle Annular Dark Field
Variante du MET classique où les électrons sont collectés suivant un anneau autour du faisceau principal, ce qui permet d’obtenir un contraste chimique en même temps que l’image diffractée, l’ensemble avec une résolution à l’échelle de l’atome.
FIB ; Focused Ion Beam
Système basé sur la focalisation d’un faisceau d’ions à la surface d’un échantillon ce qui permet de le décaper, le découper, l’abraser, etc. avec une grande précision (quelques nanomètres).
NanoSIMS ; Nano Secondary Ion Mass Spectrometry
Spectromètre de masse en ions secondaires, qui analyse les ions secondaires se formant lorsqu’un matériau est soumis à un bombardement ionique primaire (Ar+ par exemple), et utilisé pour déterminer la composition locale (à l’échelle nanométrique) d’un matériau.
ICP-MS ; transmission electron microscopy
Spectromètre de...
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Glossaire
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 (A.C.),...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
BrightCrystals http://www.brightcrystals.com/_d275663829.htm
Ceramtech https://www.ceramtec.com/ceramic-materials/
Ceranova http://www.ceranova.com/materials/ceramic-materials/
Cilas https://www.cilas.com/
Konoshima http://www.konoshima.co.jp/eng/ceramics/
Luxeram http://www.luxeram.fr/
Murata https://www.murata.com/en-eu/about/newsroom/techmag/metamorphosis18/paper/01-02
Philips https://www.philips.com/a-w/ceramics.html
Schott http://www.schott.com/france/french/index.html
Solcera https://www.solcera.com/
Surmet http://www.surmet.com/
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