{"id":1879,"date":"2023-10-19T09:33:54","date_gmt":"2023-10-19T09:33:54","guid":{"rendered":"http:\/\/www.unilim.fr\/labex_sigmalim\/?p=1879"},"modified":"2023-10-19T09:34:53","modified_gmt":"2023-10-19T09:34:53","slug":"publication-etude-des-mecanismes-de-frittage-des-ceramiques-a-base-de-grenat-dyttrium-et-daluminium-dope-au-ca-de-la-nanostructure-au-comportement-macroscopique","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.unilim.fr\/labex_sigmalim\/2023\/10\/19\/publication-etude-des-mecanismes-de-frittage-des-ceramiques-a-base-de-grenat-dyttrium-et-daluminium-dope-au-ca-de-la-nanostructure-au-comportement-macroscopique\/","title":{"rendered":"[Publication] \u00c9tude des m\u00e9canismes de frittage des c\u00e9ramiques \u00e0 base de grenat d&rsquo;yttrium et d&rsquo;aluminium dop\u00e9 au Ca : de la nanostructure au comportement macroscopique"},"content":{"rendered":"<p>Les mat\u00e9riaux \u00e0 base de grenat d&rsquo;yttrium et d&rsquo;aluminium (appel\u00e9 commun\u00e9ment YAG, de formule chimique Y<sub>3<\/sub>Al<sub>5<\/sub>O<sub>12<\/sub>) sont couramment utilis\u00e9s dans les dispositifs optiques en raison de la capacit\u00e9 de la matrice YAG \u00e0 permettre l&rsquo;incorporation en solution solide de nombreux ions luminescents de la famille des terres rares ou des m\u00e9taux de transition. De plus, gr\u00e2ce \u00e0 leurs bonnes propri\u00e9t\u00e9s thermiques et m\u00e9caniques, ces mat\u00e9riaux peuvent \u00eatre utilis\u00e9s dans des dispositifs d&rsquo;\u00e9mission de lumi\u00e8re tr\u00e8s exigeants fonctionnant dans un environnement s\u00e9v\u00e8re. Depuis les ann\u00e9es 90, plusieurs travaux ont d\u00e9montr\u00e9 la possibilit\u00e9 de fabriquer du YAG transparent sous forme de c\u00e9ramiques polycristallines avec une qualit\u00e9 optique proche de celle des monocristaux. N\u00e9anmoins, la qualit\u00e9 optique des c\u00e9ramiques transparentes est conditionn\u00e9e par l\u2019absence de d\u00e9fauts microstructuraux (pores r\u00e9siduels, inclusions de phases secondaires ou d&rsquo;impuret\u00e9s). \u00c0 titre d&rsquo;exemple, la porosit\u00e9 r\u00e9siduelle dans les c\u00e9ramiques YAG doit \u00eatre inf\u00e9rieure \u00e0 10<sup>-4<\/sup> % pour atteindre l&rsquo;efficacit\u00e9 d&rsquo;un laser solide incorporant un monocristal commercial. Par cons\u00e9quent, un contr\u00f4le rigoureux de toutes les \u00e9tapes du processus de fabrication de la c\u00e9ramique, y compris le frittage, reste essentiel pour obtenir la qualit\u00e9 optique \u00e9lev\u00e9e requise pour de nombreuses applications. Parmi les strat\u00e9gies appropri\u00e9es pour promouvoir la densification et contr\u00f4ler la microstructure finale des c\u00e9ramiques, l\u2019utilisation de m\u00e9thodes de frittage non-conventionnelles telles que le HIP (Hot Isostatic Pressing) couplant l\u2019application de hautes temp\u00e9ratures avec de hautes pressions d\u2019Argon gazeux restent bien adapt\u00e9es mais tr\u00e8s co\u00fbteuses en \u00e9nergie et en ressources. En comparaison, l&rsquo;utilisation d\u2019additifs de frittage utilisant des \u00e9l\u00e9ments chimiques abondants (Si, Mg, Ca, Zr, etc.) est un moyen d\u2019y parvenir tr\u00e8s simple et peu co\u00fbteux.<\/p>\n<p>Dans ce contexte, des travaux de recherche men\u00e9s au laboratoire IRCER dans le cadre de la th\u00e8se de Camille Perri\u00e8re (CIFRE DGA\/CILAS) se sont int\u00e9ress\u00e9s au r\u00f4le du calcium sur les m\u00e9canismes de frittage des c\u00e9ramiques de YAG. Des analyses structurales et microstructurales ont r\u00e9v\u00e9l\u00e9 que la solubilit\u00e9 du calcium \u00e9tait tr\u00e8s limit\u00e9e et proche de 650 ppm \u00e0 1700 \u00b0C. En cons\u00e9quence, seuls des taux en dessous de cette valeur peuvent \u00eatre utilis\u00e9s pour la fabrication de c\u00e9ramiques exemptes de phases secondaires et transparentes. De plus, des analyses chimiques men\u00e9es \u00e0 l&rsquo;\u00e9chelle nanom\u00e9trique par STEM et NanoSIMS ont montr\u00e9 une s\u00e9gr\u00e9gation du calcium aux joints de grains, associ\u00e9e \u00e0 une diminution des cin\u00e9tiques de densification et de croissance granulaire observ\u00e9es au cours du frittage de ce mat\u00e9riau. Ce r\u00e9sultat a \u00e9t\u00e9 expliqu\u00e9 par un m\u00e9canisme de tra\u00een\u00e9e de solut\u00e9, bien document\u00e9 pour d\u2019autres syst\u00e8mes c\u00e9ramiques. Dans le cas pr\u00e9sent, ce ph\u00e9nom\u00e8ne est probablement d\u00fb \u00e0 la s\u00e9gr\u00e9gation de d\u00e9fauts structuraux complexes, constitu\u00e9s de lacunes d\u2019oxyg\u00e8ne associ\u00e9es aux ions calcium en solution solide, dont la mobilit\u00e9 aux joints de grains est tr\u00e8s faible. En cons\u00e9quence, le calcium appara\u00eet comme un additif de frittage tr\u00e8s efficace pour limiter la croissance des grains dans le YAG, \u00e9vitant ainsi la formation de porosit\u00e9 intragranulaire qui est un point critique pour la fabrication de c\u00e9ramiques de tr\u00e8s haute qualit\u00e9 optique. N\u00e9anmoins, utilis\u00e9 seul, le calcium n\u00e9cessite l\u2019emploi de temp\u00e9ratures de frittage tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9es et proches de 1800\u00b0C pour assurer une densification totale du mat\u00e9riau. Les travaux men\u00e9s ont montr\u00e9 qu\u2019il agissait en bonne synergie avec le magn\u00e9sium (c\u00e9ramiques de YAG:Ca,Mg), qui tend \u00e0 abaisser la temp\u00e9rature de frittage sans pour autant annihiler l\u2019action b\u00e9n\u00e9fique du calcium sur le contr\u00f4le de la microstructure du mat\u00e9riau. Au final, les r\u00e9sultats obtenus seront tr\u00e8s utiles pour le d\u00e9veloppement de c\u00e9ramiques de YAG hautement transparentes qui peuvent \u00eatre utilis\u00e9es pour la production de composants optiques.<\/p>\n<p>A titre d\u2019exemple, cette strat\u00e9gie a conduit \u00e0 l\u2019issue des travaux de th\u00e8se \u00e0 l\u2019obtention de c\u00e9ramiques de YAG dop\u00e9es au chrome et incorporant du calcium et du magn\u00e9sium comme additifs de frittage (YAG:Cr,Ca,Mg), pr\u00e9sentant des propri\u00e9t\u00e9s d\u2019absorbant saturable et une qualit\u00e9 laser \u00e9quivalente aux monocristaux commerciaux.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p><em>L\u00e9gende. Cartographie chimique NanoSIMS d&rsquo;un \u00e9chantillon fritt\u00e9 de YAG dop\u00e9 au chrome contenant 0,05 % de calcium comme additif montrant la s\u00e9gr\u00e9gation du calcium aux joints de grains (a) et micrographie MEB correspondante avec une photographie d\u2019une c\u00e9ramique transparente de YAG:Cr,Ca,Mg en insert.<\/em><\/p>\n<p><strong>\u00a0<\/strong><\/p>\n<p><strong>\u00a0<\/strong><\/p>\n<p><strong>Informations relatives \u00e0 la publication<\/strong><\/p>\n<p>Journal : Journal of the European Ceramic Society<\/p>\n<p>Volume : Volume 43, Issue 2<\/p>\n<p>Num\u00e9ro : February 2023<\/p>\n<p>Article: Study of sintering mechanisms of Ca-doped yttrium aluminum garnet ceramics: From nanostructure to macroscopic behavior<\/p>\n<p>Auteurs : Camille Perri\u00e8re, R\u00e9my Boulesteix, Alexandre Ma\u00cetre (Univ. Limoges, IRCER, UMR CNRS 7315, F-87068 Limoges, France) et Alain Jalocha (CILAS, F-45063 Orl\u00e9ans, France)<\/p>\n<p>Lien : https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.jeurceramsoc.2022.10.027<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Les mat\u00e9riaux \u00e0 base de grenat d&rsquo;yttrium et d&rsquo;aluminium (appel\u00e9 commun\u00e9ment YAG, de formule chimique Y3Al5O12) sont couramment utilis\u00e9s dans les dispositifs optiques en raison de la capacit\u00e9 de la matrice YAG \u00e0 permettre l&rsquo;incorporation en solution solide de nombreux ions luminescents de la famille des terres rares ou des m\u00e9taux de transition. 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