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En anglaisRÉSUMÉ
Cet article est consacré aux céramiques transparentes. Cette famille de céramiques techniques fonctionnelles allie les propriétés optiques des monocristaux et la flexibilité des procédés céramiques. Toutefois, leur transparence peut être rapidement altérée par des défauts engendrant des phénomènes de diffusion ou d’absorption de la lumière. Le lien entre leurs propriétés optiques (i.e. leur transparence) et leur composition, (micro-)structure est décrit. Les différentes étapes clés du procédé à maîtriser pour leur fabrication sont détaillées et discutées dans cet article : la synthèse des poudres, la mise en forme et le traitement thermique final de densification (frittage).
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This article is devoted to transparent ceramics. This family of technical ceramics associates the advantages of single-crystal optical properties and the flexibility of ceramic manufacturing processes. However, their transparency can be rapidly impaired by defects generating light scattering and absorption phenomena. The link between their optical properties (i.e. transparency), composition, and (micro-) structure is described. The different key steps to be managed during their manufacturing process are also detailed and discussed: powder synthesis, shaping and final thermal treatment for densification (sintering).
Auteur(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 MAITRE : Professeur - Institut de Recherche sur les Céramiques, IRCER UMR CNRS 7315, - Université de Limoges, France
INTRODUCTION
Les céramiques transparentes polycristallines sont des matériaux produits par mise en forme de poudres et frittage de crus. De par leur nature et les procédés de fabrication utilisés, les céramiques transparentes combinent 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 thermomécaniques exacerbées (ténacité, résistance aux chocs thermiques).
Depuis les premiers travaux de développement de céramiques transparentes menés dans les années 1950, de nombreux efforts de recherche ont été menés pour mieux maîtriser leur fabrication. En effet, le contrôle drastique du procédé de fabrication est nécessaire afin de maîtriser les microstructures des céramiques élaborées et, par voie de conséquence, leurs performances optiques. Le principal challenge dans ce cas repose sur l’élimination complète de la porosité et sur le contrôle des impuretés pouvant altérer leurs propriétés optiques. Ces deux objectifs peuvent être atteints grâce à la synthèse de nanopoudres pures et homogènes, la mise en œuvre de procédés de mise en forme par voie liquide, et le développement des techniques de frittage sous atmosphère contrôlée (sous vide, sous pression, etc.).
L’objectif de cet article est de préciser le lien entre les caractéristiques structurales, microstructurales et optiques des céramiques transparentes, de manière à pouvoir au final orienter le choix de procédés céramiques adaptés à leur fabrication. Les étapes clés du procédé sont détaillées à travers des exemples de réalisations.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et une liste des symboles utilisés.
KEYWORDS
microstructure | sintering | transparent ceramics | light scattering | nanopowders
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2. Notions d’optique relatives à la transparence des céramiques
2.1 Notion de fenêtre de transparence optique
Le domaine ou « fenêtre » de transparence optique d’un matériau donné dépend essentiellement de sa composition, de sa structure cristalline et de la nature des défauts (structuraux ou microstructuraux) qu’il contient. La limite basse située généralement dans le proche UV est déterminée par le saut d’énergie ou « gap » (noté ΔE G) entre les orbitales atomiques de la bande de conduction et de valence d’un matériau donné. Le rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde est inférieure à ce gap (E photon > ΔE G) est absorbé par les électrons qui sont excités vers les niveaux de la bande de conduction. La limite haute située dans l’infrarouge est déterminée par l’énergie d’absorption du rayonnement correspondant aux vibrations du réseau (énergie de phonons). Du fait de leur valeur élevée de ΔE G, les matériaux diélectriques (isolants) sont donc clairement préférés pour répondre au critère de transparence dans le domaine de longueur d’onde recherché ici.
La figure 3 présente des spectres en transmission théoriques de différents matériaux transparents dans le visible. Cette figure fait apparaître la fenêtre de transparence avec les niveaux bas et haut de coupure en longueur d’onde et la transmission maximale atteinte dans le domaine de transparence. Pour un matériau réel, notamment les céramiques, cette transparence théorique « idéale » est souvent altérée par la présence de défauts structuraux ou microstructuraux engendrant des phénomènes qualifiés de « pertes optiques » par diffusion (Mie, Rayleigh) et/ou absorption de la lumière.
HAUT DE PAGE2.2 Mesures de la transparence
La caractérisation des propriétés optiques d’un matériau transparent consiste à réaliser plusieurs types de mesures permettant de quantifier les phénomènes de dispersion, de réflexion ou encore d’absorption de la lumière. Plus particulièrement, les mesures réalisées...
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BIBLIOGRAPHIE
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
OPTIMATR (A Computer Program to Calculate Optical Properties of Materials), ARSoftware, 8201 Corporate Drive, Suite 1110, Landover MD 20785
Page web opensource interactive de calcul de diffusion lumineuse par la théorie de Mie :
https://omlc.org/calc/mie_calc.html
Logiciel opensource de calcul de diffusion lumineuse par la théorie de Mie :
http://www.philiplaven.com/mieplot.html
HAUT DE PAGE2.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Groupe Français de la Céramique
https://www.sf2m.fr//Vie_GFC/GFC_accueil.htm
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