Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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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)
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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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MOTS-CLÉS
spectroscopie microscopie céramiques transparentes lentilles optiques protection balistique lasers solides
KEYWORDS
spectroscopy | microscopy | transparent ceramics | optical lenses | ballistic armor | solid-state lasers
DOI (Digital Object Identifier)
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Propriétés et applications
En anglais
1. Identification et quantification des défauts dans les céramiques transparentes
1.1 Problématique
Ce paragraphe présente les différents types de défauts micro-structuraux rencontrés dans les céramiques transparentes, ainsi que les principales techniques de caractérisation associées per-mettant de les diagnostiquer (identification et quantification). Le tableau 1 résume ces données.
Pour les techniques d’analyse indirectes basées sur la trans-parence optique, le lecteur se réfèrera au paragraphe 2 de l’article [E 6 418]. Un enjeu notable de la caractérisation des céramiques transparentes consiste à corréler les résultats des analyses directes par imagerie et analyse chimique et/ou structurale pour l’identification et la quantification des défauts, à ceux des analyses optiques (transmittance notamment). La mise en évidence de telles corrélations est un point crucial pour l’amélioration des performances de ces matériaux.
Quel que soit le type de défaut microstructural concerné, la difficulté réside dans la détection et la quantification des défauts pour des concentrations volumiques très faibles (< 0,1 % vol.) dans les céramiques transparentes. Toutefois, ces concentrations demeurent dans certains cas trop élevées pour ne pas altérer les propriétés optiques du matériau. Les techniques d’analyse adaptées à la détection des défauts reposent pour la plupart sur la microscopie optique ou électronique, éventuellement en trois dimensions ce qui permet d’analyser un plus large volume d’échantillon.
À titre d’exemple, une porosité de 0,001 % (10 ppm vol.) constituée de pores de 300 nm de diamètre limite la transparence des céramiques de YAG à une valeur de l’ordre de 70 % contre 84,1 % pour un matériau exempt de défauts ...
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Identification et quantification des défauts dans les céramiques transparentes
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...
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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