EP4688702A1 - Procédé pour fabriquer une pièce céramique, notamment du diamant de synthèse - Google Patents

Procédé pour fabriquer une pièce céramique, notamment du diamant de synthèse

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EP4688702A1
EP4688702A1 EP24715615.1A EP24715615A EP4688702A1 EP 4688702 A1 EP4688702 A1 EP 4688702A1 EP 24715615 A EP24715615 A EP 24715615A EP 4688702 A1 EP4688702 A1 EP 4688702A1
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EP
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acoustic
sample
powder
focal zone
acoustic wave
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Pending
Application number
EP24715615.1A
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Inventor
Marine BERTUCCHI
Cédric NEUVILLE
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Aithra Sas
Original Assignee
Aithra Sas
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Publication date
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    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/95—Products characterised by their size, e.g. microceramics

Definitions

  • the present invention relates to the field of the production of a ceramic part, in particular diamond.
  • the invention relates in particular to a method for manufacturing a ceramic part by sintering, preferably a method for manufacturing synthetic diamond, as well as a device for implementing this method.
  • Ceramic parts produced by sintering are increasingly used in industry, particularly for their electronic, mechanical, optical, thermal and chemical properties.
  • Conventional sintering is a process that consists of heating a powder of a material chosen to be the base of the ceramic (alumina, zirconia for example). Heating allows the grains of the powder to create chemical bonds between them and thus form a ceramic.
  • the temperatures required are generally higher than 1500°C and the heating times are of the order of several hours (10°C per minute at the core).
  • the main disadvantage of conventional sintering is to produce ceramic parts with grain sizes of the order of 10 to 100pm which are hard but have low mechanical strength. Indeed, the grain size of a mechanical part is one of the parameters that determine the mechanical strength of said part. The smaller the grain size, the higher the mechanical strength of the mechanical part.
  • Flash sintering consists of placing the ceramic powder in a mold, generally made of graphite, and passing a high-intensity direct or alternating current through the mold and into the powder if the material is conductive.
  • This innovation made it possible to reduce sintering times to around ten minutes and thus limit the growth of the powder grains and promote the creation of chemical bonds between these grains. This advantage makes it possible to produce mechanical parts with grain sizes of the order of 1 pm by heating to temperatures above 1200°C.
  • flash sintering technology was improved by compressing powders at pressures exceeding several hundred MPa. Adding such pressure to flash sintering not only makes it possible to sinter metastable materials at ambient pressure but also to lower the temperature required for powder sintering, between 500 and 1000°C depending on the material, and thus to further reduce grain growth during sintering. Mechanical parts with grain sizes below 100nm could thus be obtained in about ten minutes. It is also possible to sinter nanometric diamond powders at 5 GPa and 1500°C to obtain polycrystalline diamond mechanical parts with grains of 10 to 100 nm.
  • HPHT High Pressure High Temperature
  • This technology consists of placing a carbon sample, for example graphite, in an enclosure and subjecting it to a high temperature, of the order of 1500 ° C, and a high pressure, of the order of 15 GPa.
  • a catalyst for example a transition metal such as nickel or cobalt, makes it possible to lower the temperature to 1000 ° C and the pressure to 6 GPa.
  • HPHT technology allows, similarly to flash sintering technology under pressure, to sinter diamond pellets, but starting from graphite powder instead of diamond powder. In this case, the graphite powder is compressed to more than 7GPa and heated to more than 2000°C. The powder then successively undergoes the stages of state change and sintering to form a diamond pellet.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the directions are imposed by the compression pattern; for CVD technology, the direction is perpendicular to the substrate.
  • Another technology which allows the production of only synthetic diamond powder, is based on the principle of dynamic compression to achieve the conversion of graphite into diamond.
  • the conversion is not diffusive, as in HPHT technology, i.e. it is not induced by the diffusion of atoms under the effect of temperature.
  • the conversion is called martensitic, that is to say that it is induced by the local deformation of the crystal lattices, as described in particular in the publication of Christian et al, December 1995, Journal de Physique IV, volume 5, number C8, and as demonstrated by numerous experiments since the beginning of the 1990s, in particular in the publication of Erskine et al, 1992, Journal of Applied Physics, vol 71, n°10, or in the publication of Kraus et al., 2016, Nature Communications, 7, 10970 or that of Volt et al., 2019, Journal of Applied Physics, 125, 245902.
  • shock waves are generated, for example, by projecting a metal sheet onto a graphite sample.
  • Shock waves can also be generated by laser ablation.
  • This technology has many drawbacks, including the partial destruction of the graphite sample to produce these shocks and the very limited duration of these shocks, of the order of microseconds.
  • the diamonds obtained are only in the form of nanocrystals or microcrystals.
  • the present invention aims to remedy the drawbacks of the solutions proposed by the prior art, in particular those set out above.
  • the present invention provides a method for producing a ceramic part from a sample of ceramic powder, comprising:
  • each acoustic wave generator being configured to emit an acoustic wave of frequency f between 1 MHz and 100 MHz, said acoustic waves together generating at the input of the focusing system an acoustic intensity I e ,
  • Said focused acoustic waves together generate, at at least a portion of the focal zone, a minimum acoustic intensity of at least M x le, sufficient to, combined with the minimum heating temperature applied to the ceramic powder sample, sinter the ceramic powder in said portion of the focal zone.
  • ceramics we mean so-called technical ceramics.
  • technical ceramics we can cite:
  • - ceramic oxides which consist mainly of metal oxide such as for example zirconium oxide or alumina; - non-oxide ceramics which are materials based on carbon, nitride and silicon compounds such as silicon carbide, tungsten carbide or aluminium nitride;
  • - silicate ceramics mainly made from raw materials combined with aluminas such as aluminum silicate.
  • the method according to the invention advantageously makes it possible to heat a ceramic powder to a predefined minimum temperature, while compressing it locally to a pressure such that the sintering of the ceramic powder can take place.
  • the heating of the sample is carried out prior to the generation and emission of the acoustic waves by the plurality of acoustic wave generators.
  • the heating of the sample does not come at all from the acoustic waves emitted by the plurality of acoustic wave generators.
  • the predefined minimum temperature is preferably higher than the sintering temperature of the selected ceramic powder.
  • the sintering temperature corresponds to the minimum temperature necessary for the sintering of the powder at a given pressure. The higher the pressure applied, the lower the sintering temperature.
  • the sintering temperature of a ceramic powder is a function of the acoustic intensity that is generated at least in part of the focal zone.
  • the acoustic intensity and the sintering temperature required to achieve the sintering of a ceramic powder depend on the ceramic powder used. From the prior knowledge of the acoustic intensity that can be generated, at the level of the at least one part of the focal zone, by the focused acoustic waves, the sintering temperature can be deduced.
  • the method according to the invention can then be applied, for a given ceramic powder, with the pair of values (acoustic intensity, heating temperature) to be applied, in order to be able to carry out the sintering of the ceramic powder in the at least one part of the focal zone.
  • the method according to the invention thus advantageously makes it possible to create a sintering of the ceramic powder at the level of a part of the focal zone.
  • the method advantageously makes it possible to finely control the spatial location where the conditions are met to allow the sintering of this ceramic powder.
  • the method according to the invention makes it possible, from an acoustic intensity of 5.10 11 W.nr 2 , and a minimum heating temperature of 1360°C, to obtain diamond by sintering diamond powder.
  • the invention also meets the following characteristics, implemented separately or in each of their technically effective combinations.
  • the ceramic powder is selected from: a diamond powder, a tungsten carbide powder, a silicon nitride powder, a fully stabilized zirconia powder, an alpha alumina powder, a gamma alumina powder, and a titanium oxide powder.
  • the method comprises, during the emission of the acoustic waves, the movement of the focal zone in the sample.
  • Such a displacement of the focal zone in the sample advantageously allows the sample to be sintered in selected areas to produce a part with a determined shape from the powder.
  • the invention also relates to a device for implementing the method in accordance with at least one of its modes of implementation, said device comprising:
  • a plurality of acoustic wave generators each configured to generate an acoustic wave
  • the plurality of acoustic wave generators and the sample heating system being separate elements in said device
  • the focusing system defining the multiplicative factor M.
  • Each acoustic wave generator of the device is advantageously configured to emit an acoustic wave, of frequency f, preferably between 1 MHz and 100 MHz.
  • all the acoustic wave generators of the device emit at the same frequency.
  • the focusing system is arranged and sized to receive all the acoustic waves emitted by the acoustic wave generators.
  • the invention further meets the following characteristics, implemented separately or in each of their technically operational combinations.
  • the heating system allows heating of the sample by Joule effect or by inductive effect.
  • each acoustic wave generator is a piezoelectric actuator.
  • the device comprises a member for moving the focal zone in the sample.
  • said member for displacing the focal zone in the sample is a member for displacing the acoustic wave focusing system and/or a member for displacing the sample and/or a member for displacing the acoustic wave generators and/or a member for phase shifting the acoustic wave generators.
  • the invention also relates to a method for producing diamond from a sample comprising a graphite powder, comprising:
  • each acoustic wave generator being configured to emit an acoustic wave of frequency f between 1 MHz and 100 MHz, said acoustic waves together generating at the input of the focusing system an acoustic intensity I e ,
  • the acoustic intensity must be sufficient so that:
  • the kinetic energy of the atoms is sufficient to break the metastability of said graphite during the duration of the emission of the acoustic waves.
  • the duration of the emission of the acoustic intensity then conditions the percentage of conversion of graphite into diamond in this focal zone.
  • the greater the duration of the emission of the acoustic intensity the greater the percentage of conversion of graphite into diamond in the focal zone.
  • the greater the acoustic intensity emitted the smaller the duration of the emission of the acoustic intensity at the focal zone.
  • the acoustic waves are preferentially emitted for at least a minimum duration allowing a desired predefined percentage of conversion of graphite into diamond in the focal zone. It is clear from the method that the heating of the sample is carried out prior to the generation and emission of the acoustic waves by the plurality of acoustic wave generators. The heating of the sample does not come from the acoustic waves emitted by the plurality of acoustic wave generators.
  • the diamond powder obtained is advantageously densified by sintering.
  • the sintering temperature of the graphite powder is a function of the acoustic intensity which is generated at least in part of the focal zone.
  • the sintering temperature can be deduced.
  • the method according to the invention can then be applied, for the graphite powder, with the pair of values (acoustic intensity, heating temperature) to be applied, in order to be able to carry out the sintering of the graphite powder in the at least one part of the focal zone.
  • the invention also relates to a method for producing diamond from a sample comprising an amorphous carbon powder, comprising:
  • each acoustic wave generator being configured to emit an acoustic wave of frequency f between 1 MHz and 100 MHz, said acoustic waves together generating at the input of the focusing system an acoustic intensity I e ,
  • Amorphous carbon means an allotropic form of carbon comprising a mixture of sp 2 atomic bonds (same type as graphite) and sp 3 atomic bonds (same type as diamond), as well as a possible concentration of hydrogen atoms.
  • the distribution of the different types of bond is random. This distribution does not necessarily present any order on a small or large scale.
  • amorphous carbon without hydrogen atoms, generally has a sp 3 type hybridization rate of between 40% and 90%.
  • the acoustic intensity must be sufficient so that:
  • the kinetic energy of the atoms is sufficient to break the metastability of said graphite during the duration of the emission of the acoustic waves.
  • the duration of the emission of the acoustic intensity then conditions the percentage of conversion of the amorphous carbon into diamond in this focal zone.
  • the greater the duration of the emission of the acoustic intensity the greater the percentage of conversion of the amorphous carbon into diamond increases in the focal zone.
  • the greater the acoustic intensity emitted the smaller the duration of the emission of the acoustic intensity at the focal zone.
  • the acoustic waves are preferentially emitted for at least a minimum duration allowing a desired predefined percentage of conversion of amorphous carbon into diamond in the focal zone. It is clear from the method that the heating of the sample is carried out prior to the generation and emission of the acoustic waves by the plurality of acoustic wave generators. The heating of the sample does not come at all from the acoustic waves emitted by the plurality of acoustic wave generators.
  • the diamond powder obtained is densified by sintering.
  • the sintering temperature of amorphous carbon powder is a function of the acoustic intensity that is generated at least in part of the focal zone.
  • the sintering temperature can be deduced.
  • the method according to the invention can then be applied, for the amorphous carbon powder, with the pair of values (acoustic intensity, heating temperature) to be applied, in order to be able to carry out the sintering in the at least one part of the focal zone.
  • the invention also relates to a device for implementing the method for producing diamond from a sample comprising a graphite powder or from a sample comprising an amorphous carbon powder, said device comprising:
  • a plurality of acoustic wave generators each configured to generate an acoustic wave
  • the plurality of acoustic wave generators and the sample heating system being separate elements in said device
  • the focusing system defining the multiplicative factor M.
  • Each acoustic wave generator of the device is advantageously configured to emit an acoustic wave, of frequency f, preferably between 1 MHz and 100 MHz.
  • all of the acoustic wave generators of the device emit at the same frequency.
  • the focusing system is arranged and sized to receive all of the acoustic waves emitted by the acoustic wave generators.
  • the invention further meets the following characteristics, implemented separately or in each of their technically operational combinations.
  • the heating system allows heating of the sample by Joule effect or by inductive effect.
  • each acoustic wave generator is a piezoelectric actuator.
  • the device comprises a member for moving the focal zone in the sample.
  • said member for displacing the focal zone in the sample is a member for displacing the acoustic wave focusing system and/or a member for displacing the sample and/or a member for displacing the acoustic wave generators and/or a member for phase shifting the acoustic wave generators.
  • Figure 1 represents a perspective view of a device adapted in particular to the method of manufacturing a ceramic according to the invention
  • Figure 2 shows a perspective view of one half of the device of Figure 1;
  • Figure 3 shows a cross-section of the device of Figure 2;
  • Figure 4 shows an enlargement of zone III of Figure 3, illustrating an exemplary embodiment of a piezoelectric actuator
  • Figure 5 shows a graph illustrating the sintering temperature as a function of pressure, for different types of ceramic powder
  • Figure 6 shows a graph illustrating the sintering temperature as a function of acoustic intensity, for different types of ceramic powder
  • Figure 7 shows a modeling curve illustrating the induced pressure as a function of the acoustic intensity, for graphite and amorphous carbon
  • Figure 8 shows a modeling curve illustrating the kinetic energy as a function of acoustic intensity, for graphite and amorphous carbon
  • Figure 9 shows a graph illustrating the duration of emission of an acoustic wave as a function of the intensity of said acoustic wave to recreate the conditions sufficient to achieve a 99% phase change of a graphite sample into diamond and of an amorphous carbon sample into diamond.
  • This device 100 is suitable for both performing:
  • sample 50 contains only ceramic powder.
  • the ceramic powder is preferably chosen from a powder of tungsten carbide, silicon nitride, fully stabilized zirconia (known by the acronym FSZ for “fully stabilized zirconia”), alpha alumina, gamma alumina, titanium oxide, diamond.
  • FSZ fully stabilized zirconia
  • the sample 50 may comprise a diamond seed and graphite or amorphous carbon powder.
  • the sample 50 comprises only graphite or amorphous carbon powder.
  • the ceramic powder or the graphite or amorphous carbon powder consists of nanometric-sized grains. The grains are dissociated from each other.
  • grains particles whose ratio of the largest dimension to the smallest dimension is preferably less than or equal to 5.
  • the grains may be spherical, cubic or other geometric shapes.
  • size when applied to grains means the largest dimension of these grains.
  • nanometric also means a dimension greater than or equal to 1 nanometer and less than 1000 nanometers.
  • the device 100 comprises, as illustrated in FIGS. 1 to 4:
  • the acoustic wave generators 10 are attached to the focusing system 20.
  • the sample 50 located downstream of the focusing system 20, is placed in a medium, called the propagation medium 40.
  • the sample 50 is held in position in the propagation medium 40.
  • a container 70, placed in the propagation medium 40, makes it possible, for example, to contain the sample 50.
  • the container 70 is in the form of a tube, closed at at least one of its two ends, preferably closed at both of its ends.
  • Each acoustic wave generator 10 of the device 100 is configured to generate and emit an acoustic wave, of frequency f, preferably between 1 MHz and 100 MHz.
  • all the acoustic wave generators 10 of the device 100 emit at the same frequency.
  • the acoustic waves emitted by the generators 10 are synchronous.
  • a portion of the acoustic wave generators 10 of the device 100 for example half, emit at the same frequency fi and the other acoustic wave generators 10 of the device 100 emit at the same frequency f2, different from fi.
  • Each acoustic wave generator 10 of the device 100 is configured to generate and emit an acoustic wave, of power P.
  • the acoustic wave generators 10 are similar to each other.
  • the acoustic wave generators 10 are piezoelectric actuators.
  • a piezoelectric actuator converts an electrical signal into an acoustic signal, at a given power.
  • said piezoelectric actuator comprises a successive stack of layers:
  • the at least one piezoelectric element 12 is thus intercalated between the at least one impedance mismatch layer 11 and the at least one impedance matching layer 13.
  • the at least one impedance matching layer 13 is, for its part, intercalated between the at least one piezoelectric element 12 and the focusing system 20.
  • the piezoelectric actuator 10 comprises two impedance mismatching layers 11, a piezoelectric element 12 and an impedance matching layer 13.
  • the frequency of the electrical signal applied to the terminals of the at least one piezoelectric element 12 determines the frequency of the generated acoustic wave. This frequency may for example correspond to the resonance frequency of the at least one piezoelectric element 12 to maximize the conversion rate of the electrical signal into an acoustic wave.
  • the at least one impedance matching layer 13 is preferentially configured to maximize the transmission of the acoustic wave from the at least one piezoelectric element 12 to the focusing system 20.
  • the at least one impedance mismatch layer 11 is preferentially configured to minimize transmission of the acoustic wave out of the device 100.
  • the piezoelectric actuators 10 are preferably arranged and held fixedly in a part, called barrel 15.
  • Said barrel comprises a plurality of orifices 151 each intended to receive a piezoelectric actuator. Said orifices pass through the thickness of the barrel.
  • Each piezoelectric actuator 10 is arranged in an orifice 151 of the barrel 15 so that the at least one impedance matching layer 13 faces the focusing system 20.
  • Said orifices of the barrel 15 are preferably parallel to each other.
  • the piezoelectric actuators 10 being arranged parallel to each other others, the acoustic waves at the output of the piezoelectric actuators propagate in the same direction.
  • Said orifices are preferentially arranged in the barrel 15 so that the piezoelectric actuators 10 are arranged equidistant from each other.
  • the constituent elements of the piezoelectric actuators 10 are for example of cylindrical shape.
  • the orifices 151 of the barrel 15 are of cylindrical shape.
  • a preloading bolt 16 is configured to hold and compress a piezoelectric actuator 10 in an orifice 151 of the barrel 15. Such compression on the piezoelectric actuator advantageously makes it possible to maximize the conversion rate of electrical energy into acoustic energy.
  • Each preloading bolt 16 preferably bears on the impedance mismatch layer 11.
  • the device 100 comprises as many prestressing bolts 16 as piezoelectric actuators 10.
  • the device 100 preferably comprises a part, called a cover 17, fixedly attached to the barrel 15.
  • Said cover comprises tapped orifices 171 into which the prestressing bolts 16 are screwed.
  • the device 100 preferably comprises a management unit (not shown in the figures) for the acoustic wave generators 10.
  • the device 100 preferably the management unit, is configured to control the duration of the emission of the acoustic waves by the plurality of acoustic wave generators 10.
  • the management unit comprises a power source and a synchronization unit.
  • Said power source is configured to electrically power each of the acoustic wave generators 10, in the form of a continuous signal.
  • Said synchronization unit is configured to drive the acoustic wave generators 10 synchronously.
  • the management unit comprises:
  • a power source configured to provide the power required by each of the piezoelectric actuators, in the form of a continuous signal
  • a synchronization unit comprising: o a first clock, called primary, to control the piezoelectric actuators from a single time reference; o cascaded clocks to control the power circuits of each of the piezoelectric actuators with in-phase signals; o power circuits consisting of half-H bridges to charge and discharge the piezoelectric actuators.
  • the device 100 further comprises a focusing system 20.
  • Such a focusing system 20 is configured to receive and focus the acoustic waves, emitted by the plurality of acoustic wave generators 10, into a focal zone in the sample 50.
  • focal zone we mean a region of reduced dimension, where all the acoustic waves will converge.
  • the focal zone is preferably smaller than that of sample 50.
  • the sample is contained in a container 70 in the form of a tube of diameter 50 mm and length 50 mm.
  • the sample completely fills the container.
  • the focal area is less than 1 mm x 1 mm x 1 mm in size.
  • the dimensions of the focal zone are fixed by the frequency of the acoustic waves, the speed of propagation of the acoustic waves in the sample 50, the diameter of the cross section of the focusing system 20 and the focal length of the focusing system 20.
  • cross section is meant the section which is perpendicular to an axis of symmetry of the focusing system.
  • the focal zone is generally comparable to an ellipsoid, with a circular cross-section.
  • the cross-section of the focal zone is understood to mean the section that is perpendicular to the direction of propagation of an acoustic wave located in an axis of symmetry of the focusing system.
  • the ellipsoid is defined by its semi-major axis and its semi-minor axis.
  • the semi-major axis corresponds to half the length of the ellipsoid, in the direction of propagation of an acoustic wave located in an axis of symmetry of the focusing system.
  • the semi-minor axis corresponds to the radius of the maximum cross-section.
  • the focal zone is an ellipsoid, of circular cross-section, with a semi-major axis between 0.2 mm and 2 mm and a semi-minor axis between 0.05 mm and 1 mm, even more preferably between 0.07 mm and 0.75 mm, the high values applying to powders having high acoustic speeds, such as for example diamond powder, and the low values applying to powders having low acoustic speeds, such as for example graphite powder.
  • the sample is initially placed to center the focal area in the sample, i.e., so that the center of the ellipsoid coincides with the center of the sample.
  • the focal plane of the focal zone will be defined as the transverse plane of the focal zone passing through the center of the ellipsoid. In other words, the maximum cross-section of the ellipsoid is contained in the focal plane.
  • the sample 50 is preferably initially placed so that the focal plane of the focal zone passes through the center of the sample.
  • the focusing system 20 defines a multiplicative factor M.
  • This multiplicative factor M is defined as the ratio between the input cross-section (area) of the focusing system and the cross-section (area) of the focal zone in the focal plane.
  • cross-section of the focal zone in the focal plane is meant that corresponding to the cross-section passing through the center of the ellipsoid.
  • the focusing system 20 is arranged and sized to receive all of the acoustic waves emitted by the acoustic wave generators 10.
  • the focusing system 20 is configured so as to have a minimum focal length.
  • a minimum focal length advantageously makes it possible to minimize the volume of the focal zone, and therefore to maximize the acoustic intensities reached in the focal zone.
  • the focal length is of the order of 100 mm, for a focusing system 20 with a diameter of 15 cm. The focal length increases if the diameter of the focusing system 20 increases.
  • the focusing system 20 advantageously has a shape adapted according to the acoustic speed of the propagation medium 40 and its own acoustic speed.
  • said focusing system is a focusing lens.
  • the focusing lens comprises:
  • a second face 22 intended to be opposite the sample 50, having a shape which is a function of the acoustic speed of the propagation medium 40 and the acoustic speed of the focusing lens.
  • the dimensions of the focal zone, and therefore its volume are thus fixed by the frequency f of the acoustic waves, the speed of propagation of the acoustic waves in the chosen powder, the diameter of the focusing lens and the focal length of the focusing lens.
  • the focal zone is comparable to an ellipsoid, with a circular cross-section, a semi-major axis of 0.5 mm and a semi-minor axis of 0.18 mm.
  • the focal zone is similar to an ellipsoid, with a circular cross-section, a semi-major axis of 1.0 mm and a semi-minor axis of 0.35 mm.
  • the focusing system 20 is a plano-concave spherical lens.
  • the first face 21 is planar and the second face 22 is concave.
  • the multiplicative factor M of the plano-concave spherical lens is then defined as the ratio between the cross-section (area) of the first face 21 and the cross-section of the focal zone in the focal plane.
  • the focusing system 20 is arranged and fixedly held in a cylinder 19.
  • the barrel 15, comprising the acoustic wave generators 10, is arranged at a first end 191 of the cylinder.
  • a plate, forming a cover 18, is arranged at the level of a second end 192 of the cylinder.
  • the focusing system 20 and the cover 18 are separated by the propagation medium 40.
  • the cylinder 19 has a circular section.
  • the propagation medium 40 is chosen so as to promote the propagation of the acoustic waves exiting the focusing system 20 towards the sample 50.
  • the propagation medium 40 is preferably a solid medium or a liquid medium.
  • the propagation medium 40 is for example water or liquid gallium.
  • the focusing system 20 is made of a material having on the one hand a speed of propagation of the acoustic waves much higher than that of the propagation medium to minimize the focal distance of the focusing system, and thus minimize the dimensions of the focal zone.
  • the focusing system 20 is made of a material having on the other hand an acoustic impedance close to the acoustic impedance of the propagation medium 40 to maximize the transmission of the acoustic waves from the focusing system 20 to the propagation medium 40.
  • the focusing system 20 is made of aluminum.
  • the propagation speed of acoustic waves in aluminum is of the order of 6400 m.s' 1
  • that of gallium is 2850 m.s' 1 .
  • the acoustic impedance of aluminum is of the order of 17 MRayls, as is that of gallium, thus allowing 100% transmission of the acoustic waves from the focusing system 20 to the propagation medium 40.
  • the device 100 further comprises a heating system (not shown in the figures) for the sample 50.
  • the heating system is configured to ensure a uniform heating temperature of the sample 50.
  • the heating system of the sample 50 is an additional element in the device 100 and that the heating system is a separate element independent of the plurality of acoustic wave generators.
  • the heating system allows heating by the Joule effect.
  • the heating system comprises, for example, two electric cables each connected to the container 70 containing the sample 50.
  • the two electric cables are preferably arranged at a distance from each other.
  • the container is traversed by a high-voltage, direct or alternating electric current. intensity, with a voltage of a few volts.
  • the current applied is of the order of several kiloamperes. The passage of the electric current within the container causes the sample to heat up 50.
  • the container 70 is made of an electrically conductive material, for example graphite.
  • the heating system allows heating by inductive effect.
  • Said heating system comprises for example an induction coil wound around the container 70.
  • the container is preferably made in the form of a tube.
  • the induction coil is supplied with alternating electric current so as to generate an induced current in the container 70 to heat it and heat the sample 50.
  • the container 70 is made of an electrically conductive material, for example metal.
  • diamond is stable at room temperature and pressure but returns to graphite form when heated to more than 800°C in an oxygenated atmosphere and to more than 1700°C in an inert atmosphere or vacuum.
  • the sample 50 when it is diamond powder, is immersed in an inert atmosphere or under vacuum.
  • the entire device 100 is immersed in an inert atmosphere or under vacuum.
  • the device 100 comprises a member (not shown in the figures) for moving the focal zone in the sample 50.
  • a moving member advantageously makes it possible to move the focal zone in the sample to form the ceramic part.
  • said displacement member is configured to move the sample 50.
  • said moving member is configured to move the focusing system 20.
  • said displacement member is configured to move the acoustic wave generators 10.
  • said displacement member is configured to phase shift the acoustic wave generators 10. The first method is now described.
  • the first process is based on the principle of high-pressure flash sintering.
  • the first process allows the ceramic powder to be heated to a predefined temperature, while locally compressing it to a pressure such that the sintering of the ceramic powder can be carried out.
  • the sintering temperature corresponds to the minimum temperature necessary for the sintering of the powder to take place at a given pressure.
  • Figure 5 shows seven examples of curves illustrating, for different pressure values (in GPa), the minimum temperature required to sinter the powder. Each curve is associated with a type of ceramic powder.
  • the different powders represented are a diamond powder, a tungsten carbide powder, a silicon nitride powder, a fully stabilized zirconia powder, an alpha alumina powder, a gamma alumina powder, and a titanium oxide powder.
  • the first method involves heating the sample 50 to a predetermined temperature.
  • the sample is heated until a predetermined minimum temperature is reached.
  • the minimum temperature is preferably higher than the sintering temperature of the selected ceramic powder, the sintering temperature being a function of the pressure that will be applied at the focal zone of the sample 50.
  • the sintering temperature is 1400°C for an applied pressure of 4 GPa and 1300°C for an applied pressure of 5 GPa.
  • Heating is preferably carried out by the heating system of the device 100.
  • the heating is carried out by the Joule effect, by passing an electric current through the container 70 via electric cables.
  • the heating is carried out by inductive effect, by generating an induced current in the container 70, via the induction coil.
  • the first method comprises generating and emitting a plurality of acoustic waves.
  • the step of generating and emitting a plurality of acoustic waves is performed after the heating step.
  • the step of generating and emitting a plurality of acoustic waves is performed only when the sample 50 is at the predetermined minimum temperature.
  • Said acoustic waves are emitted simultaneously for predetermined durations, preferably for the same duration.
  • the acoustic waves are each emitted for a duration of around an hour.
  • the generation and emission of the acoustic waves are preferably carried out via the acoustic wave generators 10, controlled by the management unit.
  • the duration of the emission of each of the acoustic waves is controlled by the management unit.
  • Each acoustic wave generator 10 generates and emits an acoustic wave, of predetermined power.
  • the powers generated by the acoustic wave generators 10 are identical.
  • the acoustic waves together generate at the input of the focusing system 20 an acoustic intensity le.
  • the acoustic intensity generated at the input of the focusing system is determined by the ratio between the power injected into the focusing system 20 and the input section of the focusing system 20.
  • the power injected into the focusing system 20 is determined by multiplying the number of acoustic wave generators 10 used by the power generated by an acoustic wave generator 10 (based on the principle that all the acoustic wave generators generate the same power).
  • the emitted acoustic waves are then focused into the focal zone located in the sample 50.
  • the acoustic waves are emitted towards the system focusing system 20, will pass through said focusing system and will all converge towards the sample 50, in the focal zone.
  • the focused acoustic waves will generate an acoustic intensity corresponding, to a factor near, to the multiplication of the acoustic intensity le at the input of the focusing system by the multiplicative factor M of said focusing system.
  • This multiplicative factor M is a multiplicative factor of the acoustic intensity le, a factor which is induced by the focusing.
  • the acoustic intensity is not uniform in the focal zone.
  • the spatial distribution of an acoustic intensity in a focal plane is not uniform but appears as an Airy spot.
  • the acoustic intensity forms a central (circular) spot and a series of concentric rings around the central spot.
  • the central spot concentrates 85% of the acoustic power.
  • the remaining acoustic power is distributed in a decreasing manner in the series of concentric rings.
  • the average acoustic intensity in the central spot is 0.85 x M x le.
  • the acoustic intensity at 80% of the maximum of the central spot is 2.9 x M x le.
  • the maximum acoustic intensity in the central spot is 3.7 x M x le. This maximum acoustic intensity in the central spot is punctate.
  • the spatial distribution of the acoustic intensity in a plane perpendicular to the focal plane is also not uniform. The acoustic intensity gradually decreases as it moves away from the focal plane.
  • the focal zone corresponds, in the focal plane, to the central spot.
  • the maximum intensity in the focal zone is maximum in the focal plane, the maximum acoustic intensity in the focal zone is 3.7 x M x le.
  • the focused acoustic waves together generate, at least in part of the focal zone, an acoustic intensity at least equal to M x le.
  • the acoustic intensity generated is at least equal to the minimum sufficient acoustic intensity, so that, associated with the heating temperature applied to the sample 50 of ceramic powder, the sintering of the ceramic powder takes place in the at least one part of the focal zone.
  • sound pressure can be expressed as a function of sound intensity. For a given material initially at room temperature and pressure, each sound intensity value gives a pressure.
  • Figure 6 shows four examples of curves illustrating, for different acoustic intensity values (in W.rrr 2 ), the minimum temperature required to sinter the powder. Each curve is associated with a type of ceramic powder.
  • the different powders represented are a diamond powder, a tungsten carbide powder, a silicon nitride powder, and an alpha alumina powder.
  • an acoustic intensity of 4.7.10 11 W.rrr 2 applied to a sample 50 of diamond powder heated to a minimum temperature of 1375°C allows the diamond powder to be sintered, whereas a temperature higher than 2000°C would be required to sinter the same powder without pressure.
  • an acoustic intensity of 4.9.10 10 W.rrr 2 applied to a sample 50 of alpha alumina powder heated to a minimum temperature of 840°C allows the alpha alumina powder to be sintered, whereas a temperature of 1100°C would be required to sinter the same powder without pressure.
  • the first method according to the invention makes it possible, from an acoustic intensity of 5.10 11 W.rrr 2 , and a minimum heating temperature of 1360°C, to obtain diamond by sintering diamond powder.
  • the first method according to the invention makes it possible to obtain diamond by sintering diamond powder, from: - an acoustic intensity of 1.10 11 W.nr 2 , and a minimum heating temperature of 1700°C,
  • the acoustic intensity can vary from 1.10 11 W.rrr 2 to 5.10 13 W.rrr 2 and the minimum heating temperature can vary from 1700°C to 1000°C respectively.
  • the minimum heating temperature must not exceed 1700°C, under an inert atmosphere or under vacuum.
  • the first method according to the invention makes it possible to obtain an oxide by sintering oxide powder, from:
  • the acoustic intensity can vary from 5.10 8 W.rrr 2 to 1.10 12 W.rrr 2
  • a minimum heating temperature can vary from 1700°C to 500°C respectively.
  • oxides we can cite more particularly aluminum oxide or alumina, silicon oxide, titanium oxide, zinc oxide, zirconium oxide or zirconia, molybdenum oxide or even tungsten oxide.
  • the first method according to the invention makes it possible to obtain a carbide by sintering carbide powder, from:
  • the acoustic intensity can vary from 5.10 8 W.rrr 2 to 5.10 12 W.rrr 2
  • a minimum heating temperature can vary from 2200°C to 1000°C respectively.
  • carbides we can cite more particularly boron carbide, silicon carbide, titanium carbide, zirconium carbide, molybdenum carbide or even tungsten carbide.
  • the first method according to the invention makes it possible to obtain a nitride, a boride or a silicide respectively by sintering nitride, boride or silicide powder, from:
  • the acoustic intensity can vary from 5.10 8 W.rrr 2 to 5.10 12 W.rrr 2
  • a minimum heating temperature can vary from 2000°C to 700°C respectively.
  • boron nitride in its hexagonal form or in its cubic form, aluminum nitride, silicon nitride, titanium nitride, zirconium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride, aluminum boride, titanium boride, zirconium boride or even molybdenum silicide.
  • a simulation was performed to reproduce the device 100 on a small scale and determine a desired volume of the focal zone.
  • the focusing system 20 is a plano-concave spherical lens.
  • the plano-concave spherical lens has the following dimensions: a diameter of the first face 21 of 7.5 mm, a thickness at its center of 2 mm, and a radius of curvature of the second face 22 of 4 mm.
  • the plano-concave spherical lens is made of aluminum.
  • each piezoelectric actuator each with a diameter of 0.5 mm, are uniformly distributed opposite the first face 21 of the plano-concave spherical lens.
  • the 190 piezoelectric actuators are glued against the first face 21 of the plano-concave spherical lens.
  • Each piezoelectric actuator emits an acoustic wave, with a frequency of 20 MHz.
  • Each piezoelectric actuator generates a power of 1 W.
  • the following values correspond to a sample of diamond powder. For comparison, the values given in parentheses correspond to a sample of alpha alumina powder.
  • the simulation gives a focal zone whose volume is similar to an ellipsoid, with a circular cross-section, semi-major axis 0.92 mm (respectively 0.87 mm) and semi-minor axis 0.33 mm (respectively 0.31 mm).
  • the multiplicative factor M is the cross-section ratio between the entrance section of the plano-concave spherical lens and the cross-section of the focal zone in the focal plane.
  • the multiplicative factor M is thus 1.3.10 2 (respectively 1.4.10 2 ).
  • the angular aperture is proportional to the ratio between the diameter of the first face of the plano-concave spherical lens and the radius of curvature of the second face.
  • a plano-concave spherical lens with a first face of diameter 450 mm (respectively 150 mm) and a second face with a radius of curvature of 240 mm (respectively 80 mm) allows to maintain the dimensions obtained in the simulation for the focal zone. It is known that the thickness of the lens does not impact the angular aperture. The thickness of the lens is fixed at 1 cm to advantageously minimize the travel distance of the acoustic waves while preserving the strength of the lens.
  • the multiplicative factor M of the plano-concave spherical lens is 4.7.10 5 (respectively 5.7.10 4 ).
  • the acoustic waves together generate at the lens input an acoustic intensity of 1.0.10 6 W.nr 2 (respectively 8.5.10 5 W.rrr 2 ).
  • the acoustic intensity corresponds to the ratio between the power injected into the plano-concave spherical lens and the section of the first face of the plano-concave spherical lens.
  • the power injected into the lens corresponds to the multiplication of the number of piezoelectric actuators used by the power generated by each piezoelectric actuator.
  • the same acoustic intensity would be obtained at the input of the plano-concave spherical lens with the configuration of 10,000 (respectively 940) piezoelectric actuators, with a diameter of 4 mm, each generating a power of 15.90 W or the configuration of 100 (respectively 10) piezoelectric actuators, with a diameter of 40 mm, each generating a power of 1590 W.
  • an average acoustic intensity in the focal plane of the focal zone 4.0.10 11 W.rrr 2 (corresponding to 0.85 x 4.7.10 5 x 1.0.10 6 W.rrr 2 ) (respectively
  • the diamond powder (respectively alpha alumina) is densified by sintering.
  • the first method according to the invention thus advantageously makes it possible to create a sintering of the ceramic powder at the focal zone.
  • the method advantageously makes it possible to finely control the spatial location where the conditions are met to allow the sintering of this ceramic powder.
  • the focal zone is moved in the sample.
  • Moving the focal zone within the sample advantageously allows the ceramic powder to be sintered in different areas of the sample until a desired dimension and shape is achieved for the final sintered ceramic part.
  • the sample is moved by a displacement member.
  • the focusing system is moved by a displacement member.
  • the acoustic wave generators are moved simultaneously by a displacement member.
  • the acoustic wave generators are phase-shifted with respect to each other with well-determined values to obtain the displacement of the focal zone in the sample.
  • the second method is now described. As a reminder, the second method is intended to produce diamond from a sample containing graphite or amorphous carbon powder.
  • amorphous carbon contains a mixture of sp2 atomic bonds and sp3 atomic bonds, as well as a possible concentration of hydrogen atoms.
  • amorphous carbon without hydrogen atoms, generally has a sp 3 type hybridization rate of between 40% and 90%.
  • the second process is advantageously based in a first phase on the principle of dynamic compression, which will be described later, then in a second phase on the principle of high-pressure flash sintering.
  • the second process allows, in a first phase, the conversion of graphite powder into diamond powder, then in a second phase, the densification of the diamond powder by sintering to form a diamond.
  • the second process advantageously makes it possible to obtain a dense diamond, therefore a diamond which presents improved mechanical resistance.
  • the second method involves heating the sample 50 to a predetermined temperature.
  • the sample is heated until it reaches a predetermined minimum temperature.
  • the minimum temperature is preferably higher than the sintering temperature of the diamond powder, the sintering temperature being a function of the pressure which will be applied to the sample 50.
  • the sintering temperature is 1400°C for an applied pressure of 5 GPa.
  • Heating is preferably carried out by the heating system of the device 100.
  • the heating is carried out by the Joule effect, by passing an electric current through the container 70 via electric cables.
  • the heating is carried out by inductive effect, by generating an induced current in the container 70, via the induction coil.
  • the second method involves generating and emitting a plurality of acoustic waves.
  • the step of generating and emitting a plurality of acoustic waves is performed after the heating step.
  • the step of generating and emitting a plurality of acoustic waves is initiated only when the sample 50 is at the predetermined minimum temperature.
  • Said acoustic waves are emitted simultaneously for predetermined durations, preferably for the same duration.
  • the acoustic waves are each emitted for a duration of around an hour.
  • the generation and emission of the acoustic waves are preferably carried out via the acoustic wave generators 10, controlled by the management unit.
  • the duration of the emission of each of the acoustic waves is controlled by the management unit.
  • Each acoustic wave generator 10 generates and emits an acoustic wave, of predetermined power.
  • the powers generated by the acoustic wave generators 10 are identical.
  • the acoustic waves together generate at the input of the focusing system 20 an acoustic intensity le.
  • the acoustic intensity generated at the input of the focusing system is determined by the ratio between the power injected into the focusing system 20 and the input section of the focusing system 20.
  • the power injected into the focusing system 20 is itself determined by multiplying the number of acoustic wave generators 10 used by the power generated by an acoustic wave generator 10 (in assuming that all acoustic wave generators generate the same power).
  • the emitted acoustic waves are then focused in the focal zone located in the sample 50.
  • the acoustic waves are emitted in the direction of the focusing system 20, will pass through said focusing system and will all converge towards the sample 50, in the focal zone.
  • the focused acoustic waves will generate an acoustic intensity corresponding, to a factor near, to the multiplication of the acoustic intensity le at the input of the focusing system by the multiplicative factor M of said focusing system.
  • This multiplicative factor M is a multiplicative factor of the acoustic intensity le, a factor which is induced by the focusing.
  • the acoustic intensity is not uniform in the focal zone. More precisely, it is known that the spatial distribution of an acoustic intensity in a focal plane is not uniform but appears as an Airy spot. Thus, in the focal plane, the acoustic intensity forms a central (circular) spot and a series of concentric rings around the central spot. The central spot concentrates 85% of the acoustic power. The remaining acoustic power is distributed in a decreasing manner in the series of concentric rings. The average acoustic intensity in the central spot is 0.85 x M x le. The acoustic intensity at 80% of the maximum of the central spot is 2.9 x M x le.
  • the maximum acoustic intensity in the central spot is 3.7 x M x le. This maximum acoustic intensity in the central spot is punctate.
  • the spatial distribution of the acoustic intensity in a plane perpendicular to the focal plane is also not uniform. The acoustic intensity gradually decreases as it moves away from the focal plane.
  • the focal zone corresponds, in the focal plane, to the central spot.
  • the maximum intensity in the focal zone is maximum in the focal plane, the maximum acoustic intensity in the focal zone is 3.7 x M x le.
  • the focused acoustic waves must together generate, at least in part of the focal zone, an acoustic intensity at least equal to 1.10 12 W.rrr 2 , an intensity corresponding to a minimum acoustic intensity sufficient to achieve a phase change from graphite to diamond.
  • the focused acoustic waves must together generate, at the level of at least part of the focal zone, an acoustic intensity at least equal to 2.1.10 12 W.rrr 2 , intensity corresponding to a minimum acoustic intensity sufficient to achieve a phase change of the amorphous carbon into diamond.
  • the focused acoustic waves must together generate, at least in part of the focal zone, an acoustic intensity at least equal to 1.4.10 12 W.nr 2 , an intensity corresponding to a minimum acoustic intensity sufficient to achieve a phase change of said amorphous carbon into diamond.
  • the focused acoustic waves must together generate, at least in part of the focal zone, an acoustic intensity at least equal to 2.1.10 12 W.rrr 2 , an intensity corresponding to a minimum acoustic intensity sufficient to achieve a phase change of said amorphous carbon into diamond.
  • the second method according to the invention advantageously relies on the principle of dynamic compression to convert graphite (respectively amorphous carbon) into diamond.
  • the pressure and kinetic energy are provided by the shocks.
  • the pressure and kinetic energy can be expressed as a function of the shock intensity. The shock intensity must then be sufficient so that:
  • the pressure reached exceeds a minimum pressure sufficient to make the diamond more stable than graphite (respectively amorphous carbon), for example at least 5 GPa; 5 GPa corresponding to the stability pressure of diamond in static compression;
  • the kinetic energy of the atoms is sufficient to break the metastability of said graphite (respectively of said amorphous carbon) during the duration of the emission of the shock waves.
  • the pressure and kinetic energy can be expressed as a function of the acoustic intensity.
  • the acoustic intensity must be sufficient so that: - the pressure reached exceeds a sufficient minimum pressure making the diamond more stable than graphite (respectively amorphous carbon),
  • the kinetic energy of the atoms is sufficient to break the metastability of said graphite (respectively of said amorphous carbon) during the duration of the emission of the acoustic waves.
  • each acoustic intensity value gives a unique pair of values (pressure, kinetic energy).
  • These acoustic intensity values have been characterized in great detail by the study of the so-called Hugoniot curves, in the book “LASL shock Hugoniot data” published by University of California Press, 1980.
  • dynamic compression in graphite with an acoustic intensity of the order of 2.10 13 W.rrr 2 (respectively 2.7.10 13 W.rrr 2 (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 40%) to 4.0.10 13 W.rrr 2 (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 90%)) induces a pressure of 25 GPa (respectively 34 GPa (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 40%) to 49 GPa (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 90%)) and a kinetic energy of 0.16 eV, a value equivalent to a kinetic energy of thermal origin induced by a temperature of the order of 1500°C.
  • Figure 7 shows a modeling curve illustrating the induced pressure as a function of the acoustic intensity for a graphite powder (solid line curve), an amorphous carbon powder with an sp 3 hybridization rate of 40% (dashed curve) and an amorphous carbon powder with an sp 3 hybridization rate of 90% (dotted curve).
  • Figure 8 shows a modeling curve illustrating the kinetic energy as a function of the acoustic intensity for a graphite powder (line curve continuous), an amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 40% (dashed curve) and an amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 90% (dotted curve).
  • the duration of the acoustic intensity emission then conditions the proportion of the phase change, i.e. the percentage of conversion of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond.
  • the percentage of conversion of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond is a function of the duration of the emission of this acoustic intensity. More precisely, the greater the duration of the emission of the acoustic intensity, the greater the percentage of conversion of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond. Furthermore, for a desired percentage of conversion of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond, the greater the acoustic intensity emitted, the shorter the duration of the acoustic intensity emission.
  • reaction rate k can be approximated by the following relation:
  • E a is the activation energy of the conversion of graphite into diamond, i.e. the energy required to supply the carbon atoms to break the metastability of graphite, and
  • A is a constant depending essentially on the mechanism involved for the phase change (thermal diffusion, martensitic, etc.).
  • E a is of the order of 0.2 eV, according to the publication of Xie et al, 2017, Journal of the American Chemical Society, 139, 7, pages 2545-2548
  • the constant A is of the order of 2.3.10 9 s -1 .
  • Figure 9 shows a graph illustrating the duration required for the emission of an acoustic wave as a function of the intensity of said acoustic wave to recreate the conditions sufficient to achieve a 99% phase change of a graphite sample into diamond (continuous line curve), of an amorphous carbon sample with a sp 3 type hybridization rate of between 40% in diamond (dashed curve) and of an amorphous carbon sample with a sp 3 type hybridization rate of between 40% in diamond (dotted curve).
  • An acoustic intensity of the order of 1.6.10 12 W.rrr 2 allowing a pressure of 6 GPa to be reached, a pressure higher than the minimum pressure sufficient for the diamond to be stable, gives the carbon atoms a kinetic energy of 0.017 eV and such that at least 99% of the graphite sample will be converted into diamond in a time of the order of 1 ms.
  • an acoustic intensity lower than 5.10 11 W.rrr 2 will induce a phase change in a time greater than a hundred hours provided that the pressure is always sufficient to be in the diamond stability regime.
  • the focused acoustic waves will thus generate at the focal zone, an acoustic intensity inducing an acoustic pressure and kinetic energy, as described previously.
  • the acoustic intensity generated is at least equal to the minimum sufficient acoustic intensity, i.e. 1.10 12 W.rrr 2 (respectively from 1.4.10 12 W.rrr 2 (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 40%) to 2.1.10 12 W.rrr 2 (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 90%)).
  • the duration of the emission of said acoustic intensity will condition the proportion of the phase change of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond in the focal zone.
  • the percentage of conversion of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond, in the focal zone is a function of the duration of the emission of the acoustic waves. More precisely, for a given acoustic intensity, the percentage of conversion of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond increases with the duration of the emission of the acoustic waves.
  • the second process in a second phase, once the conversion of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond powder or very low density diamond, by combining the pressure with the heating temperature of the sample 50, we also advantageously have the conditions combined to carry out the sintering in order to densify the diamond.
  • the second method according to the invention makes it possible, from an acoustic intensity of 1.10 12 W.nr 2 (respectively from 1.4.10 12 W.rrr 2 (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 40%) to 2.1.10 12 W.rrr 2 (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 90%)), and a minimum heating temperature of 1300°C (respectively from 1250°C (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 40%) to 1100°C (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 90%)), to obtain diamond from graphite powder (respectively from amorphous carbon with a sp hybridization rate of 40%). 3 between 40% and 90%), by conversion of graphite (respectively amorphous carbon with a sp 3 hybridization rate between 40% and 90%) into diamond and sintering.
  • the minimum heating temperature must not exceed 1700°C, under an inert atmosphere or under vacuum.
  • a simulation was performed to reproduce the device 100 on a small scale and determine a desired volume of the focal zone.
  • the focusing system 20 is a plano-concave spherical lens.
  • the plano-concave spherical lens has the following dimensions: a diameter of the first face 21 of 7.5 mm, a thickness at its center of 2 mm, and a radius of curvature of the second face 22 of 4 mm.
  • the plano-concave spherical lens is made of aluminum.
  • each piezoelectric actuator each with a diameter of 0.5 mm, are uniformly distributed opposite the first face 21 of the plano-concave spherical lens.
  • the 190 piezoelectric actuators are glued against the first face 21 of the plano-concave spherical lens.
  • Each piezoelectric actuator emits an acoustic wave, with a frequency of 20 MHz.
  • Each piezoelectric actuator generates a power of 1 W.
  • the following values correspond to a sample of graphite powder.
  • the values given in parentheses correspond to a sample of amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate between 40% and 90%.
  • the simulation gives a focal zone whose volume is similar to an ellipsoid, with a circular cross-section, with a semi-major axis of 0.5 mm (respectively 0.66 (for amorphous carbon powder with a sp 3 type hybridization rate of 40%) to 0.87 (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 90%)) and semi-minor axis 0.18 mm (respectively from 0.24 mm (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 40%) to 0.32 mm (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 90%)).
  • the multiplicative factor M of the plano-concave spherical lens can be deduced.
  • the multiplicative factor M is the cross-section ratio between the entrance section of the plano-concave spherical lens and the cross-section of the focal zone in the focal plane.
  • the multiplicative factor M is thus 4.3.10 2 (respectively 2.4.10 2 (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 40%) to 1.3.10 2 (for amorphous carbon powder with a sp 3 hybridization rate of 90%)).
  • the angular aperture is proportional to the ratio between the diameter of the first face of the plano-concave spherical lens and the radius of curvature of the second face.
  • a plano-concave spherical lens with a first face of diameter 450 mm and a second face with a radius of curvature of 240 mm allows to maintain the dimensions obtained in the simulation for the focal zone. It is known that the thickness of the lens does not impact the angular aperture. The thickness of the lens is fixed at 1 cm to advantageously minimize the travel distance of the acoustic waves while preserving the strength of the lens.
  • the multiplicative factor M of the plano-concave spherical lens is 1.6.10 6 (respectively 8.9.10 5 (for amorphous carbon powder with sp 3 hybridization rate of 40%) to 4.7.10 5 (for amorphous carbon powder with sp 3 hybridization rate of 90%)).
  • the acoustic waves together generate at the lens input an acoustic intensity of 1.0.10 6 W.nr 2 (respectively 2.0.10 6 W.rrr 2 ).
  • the acoustic intensity corresponds to the ratio between the power injected into the plano-concave spherical lens and the section of the first face of the plano-concave spherical lens.
  • the power injected into the lens corresponds to the multiplication of the number of piezoelectric actuators used by the power generated by each piezoelectric actuator.
  • the same acoustic intensity would be obtained at the input of the plano-concave spherical lens with the configuration of 10,000 piezoelectric actuators (4 mm diameter) each generating a power of 15.90 W or the configuration of 100 piezoelectric actuators (40 mm diameter) each generating a power of 1590 W.
  • the diamond powder obtained is thus densified by sintering.
  • the second method according to the invention thus advantageously makes it possible to create a diamond seed, or to enlarge a seed previously present in the sample, at the focal zone.
  • the second method advantageously allows for fine control of the spatial location where the conditions are met to allow the formation of diamond.
  • the second method according to the invention also advantageously allows for the production of diamond, without destroying the sample, unlike shock wave technologies.
  • the second method according to the invention also makes it possible to control the duration of the emission of acoustic waves.
  • the focal zone is moved in the sample.
  • This particular mode of the second process is implemented when the acoustic waves are emitted for a duration greater than the emission duration necessary to convert a desired predefined percentage of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond in the focal zone.
  • Moving the focal zone in the sample advantageously allows the diamond seed to grow until a desired size and shape is obtained for the diamond.
  • the direction of movement of the focal zone in the sample allows the direction of diamond growth to be directed to obtain the desired shape.
  • the speed of movement of the focal zone in the sample is advantageously related to the duration of the emission of the acoustic waves necessary to convert a desired predefined percentage of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond in the focal zone. Therefore the speed of movement of the focal zone in the sample is a function of the acoustic intensity of the acoustic wave in the focal zone, because the acoustic intensity determines the duration of the emission necessary to allow the conversion of the desired predefined percentage of graphite (respectively amorphous carbon) into diamond.
  • the movement of the focal zone can be carried out continuously, by adapting the speed of movement of the focal zone.
  • the sample is moved by a displacement member.
  • the focusing system is moved by a displacement member.
  • the acoustic wave generators are moved simultaneously by a displacement member.
  • the acoustic wave generators are phase-shifted with respect to each other with well-determined values to obtain the displacement of the focal zone in the sample.
  • the present invention achieves the objectives it had set for itself.
  • it provides two methods for producing diamond which have the advantage of not destroying the sample, and of finely controlling the direction of growth of the diamond.

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour produire une pièce céramique à partir d'un échantillon de poudre céramique, comportant : • - le chauffage de l'échantillon à une température minimale prédéterminée, qui est supérieure à une température de frittage de la poudre céramique. • - la génération et l'émission, par une pluralité de générateurs d'ondes acoustiques, d'une pluralité d'ondes acoustiques, vers un système de focalisation, chaque générateur d'ondes acoustiques étant configuré pour émettre une onde acoustique de fréquence f comprise entre 1 MHz et 100 MHz, lesdites ondes acoustiques générant ensemble en entrée du système de focalisation une intensité acoustique I e , • - la focalisation desdites ondes acoustiques, par le système de focalisation, en une zone focale dans l'échantillon, le système de focalisation définissant un facteur multiplicatif M, lesdites ondes acoustiques focalisées générant ensemble, au niveau d'au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique minimale d'au moins M x le, au moins égale à M x le = 1.1012 W.m-2 suffisante pour, combinée avec la température minimale de chauffage appliquée à l'échantillon de poudre céramique, fritter la poudre céramique dans ladite partie de la zone focale.

Description

Procédé pour fabriquer une pièce céramique, notamment du diamant de synthèse
Domaine technique de l’invention
La présente invention s’inscrit dans le domaine de la production d’une pièce céramique, notamment de diamant.
L’invention concerne notamment un procédé de fabrication d’une pièce céramique par frittage, préférentiellement un procédé de fabrication de diamant de synthèse, ainsi qu’un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé.
Technique antérieure
Les pièces en céramique produites par frittage sont de plus en plus utilisées dans l’industrie, notamment pour leurs propriétés électroniques, mécaniques, optiques, thermiques ou encore chimiques.
Le frittage dit conventionnel est un procédé qui consiste à chauffer une poudre d’un matériau choisi pour être la base de la céramique (alumine, zircone par exemple). Le chauffage permet aux grains de la poudre de créer des liaisons chimiques entre eux et ainsi de former une céramique. Les températures nécessaires sont généralement supérieures à 1500°C et les temps de chauffage de l’ordre de plusieurs heures (10°C par minute à cœur). Le principal inconvénient du frittage conventionnel est de produire des pièces céramiques avec des tailles de grains de l’ordre de 10 à 100pm qui sont dures mais qui ont une faible résistance mécanique. En effet, la taille des grains d’une pièce mécanique est un des paramètres qui conditionnent la résistance mécanique de ladite pièce. Plus la taille des grains est faible, plus la pièce mécanique aura une résistance mécanique élevée.
Au cours du 20ème siècle, le frittage conventionnel a été amélioré pour permettre un chauffage plus rapide des poudres, jusqu’à 200°C par minute à cœur. On parle alors de frittage flash (« Spark Plasma Sintering » dans la littérature anglo-saxonne). Le frittage flash consiste à placer la poudre céramique dans un moule, généralement en graphite, et à faire passer un courant continu ou alternatif de forte intensité dans le moule et dans la poudre si le matériau est conducteur. Cette innovation a permis d’abaisser les temps de frittage à une dizaine de minutes et ainsi de limiter la croissance des grains de la poudre et de favoriser la création de liaisons chimiques entre ces grains. Cet avantage permet de réaliser des pièces mécaniques avec des tailles de grains de l’ordre de 1 pm en chauffant à des températures supérieures à 1200°C.
Un des inconvénients du frittage flash est de chauffer à des températures relativement élevées. Cela limite par conséquent l’utilisation de matériaux métastables à température et pression ambiantes pour la production de pièces mécaniques. Par exemple, le diamant est stable à température et pression ambiantes mais retourne sous forme graphite quand il est chauffé à plus de 800°C sous atmosphère oxygénée et à plus de 1700°C sous atmosphère inerte ou sous vide.
Au début du 21 ème siècle, la technologie du frittage flash a été améliorée en comprimant les poudres à des pressions supérieures à plusieurs centaines de MPa. L’ajout d’une telle pression au frittage flash permet non seulement de fritter des matériaux métastables à pression ambiante mais aussi d’abaisser la température nécessaire pour le frittage de poudres, entre 500 et 1000°C en fonction du matériau, et ainsi de réduire d’avantage la croissance des grains lors du frittage. Des pièces mécaniques avec des tailles de grains inférieures à 100nm ont ainsi pu être obtenues en une dizaine de minutes. Il est aussi possible de fritter des poudres de diamant nanométriques à 5 GPa et 1500°C pour obtenir des pièces mécaniques de diamant polycristallin avec des grains de 10 à 100 nm.
Un des principaux inconvénients du frittage flash à haute pression est l’impossibilité de réaliser des formes complexes pendant le frittage. En effet, les dispositifs utilisés actuellement pour atteindre des pressions supérieures au GPa contraignent fortement la forme du moule de frittage.
Pour produire des pièces céramiques de diamant de synthèse, d’autres technologies, autres que le frittage flash à haute pression de poudre de diamant, existent.
Parmi ces technologies, on peut citer la technologie Haute Pression, Haute Température, connue sous l’acronyme HPHT (« High Pressure High Temperature », dans la littérature anglo-saxonne). Cette technologie consiste à placer un échantillon de carbone, par exemple du graphite, dans une enceinte et à le soumettre à une température élevée, de l’ordre de 1500°C, et à une pression élevée, de l’ordre de 15 GPa. L’ajout d’un catalyseur à l’échantillon, par exemple un métal de transition comme le nickel ou le cobalt, permet d’abaisser la température à 1000°C et la pression à 6 GPa. La technologie HPHT permet, similairement à la technologie de frittage flash sous pression, de fritter des pastilles de diamant, mais en partant d’une poudre de graphite en lieu et place d’une poudre de diamant. Dans ce cas, la poudre de graphite est comprimée à plus de 7GPa et chauffée à plus de 2000°C. La poudre subit alors successivement les étapes de changement d’état et de frittage pour former une pastille de diamant.
Une autre technologie consiste à réaliser un dépôt chimique en phase vapeur, connue sous l’acronyme CVD (« Chemical Vapor Deposition », dans la littérature anglo-saxonne). Un échantillon en diamant est placé dans une enceinte sous vide. Un gaz, avec hydrogène, est introduit dans l’enceinte. L’ensemble est ensuite ionisé à l’aide d’une décharge microondes, créant un plasma. Les espèces issues du plasma s’adsorbent petit à petit sur le substrat et forment l’objet.
Pour ces deux premières technologies, les principaux inconvénients sont :
- la difficulté, voire l’impossibilité, à contrôler finement la localisation spatiale où les conditions sont réunies pour permettre la formation du diamant ;
- la limitation de la direction de croissance du diamant : pour la technologie HPHT, les directions sont imposées par le schéma de compression ; pour la technologie CVD, la direction est perpendiculaire au substrat.
Une autre technologie, qui permet de produire uniquement de la poudre de diamant de synthèse, repose sur le principe de la compression dynamique pour réaliser la conversion du graphite en diamant.
Dans les technologies de conversion du graphite en diamant induite par compression dynamique, la conversion n’est pas diffusive, comme dans la technologie HPHT, c'est-à-dire qu’elle n’est pas induite par la diffusion des atomes sous l’effet de la température. La conversion est dite martensitique, c'est-à-dire qu’elle est induite par la déformation locale des réseaux cristallins, comme décrit notamment dans la publication de Christian et al, décembre 1995, Journal de Physique IV, volume 5, numéro C8, et comme démontré par de nombreuses expériences depuis le début des années 1990, notamment dans la publication de Erskine et al, 1992, Journal of Applied Physics, vol 71 , n°10, ou encore dans la publication de Kraus et al., 2016, Nature Communications, 7, 10970 ou encore celle de Volt et al., 2019, Journal of Applied Physics, 125, 245902.
Cette technologie repose par exemple sur l’utilisation d’ondes de choc. Les ondes de choc sont par exemple générées par projection d’une feuille métallique, sur un échantillon en graphite. On parle généralement dans la littérature d’ondes de choc par explosion. Les ondes de choc peuvent également être générées par ablation laser. Cette technologie présente de nombreux inconvénients, notamment la destruction partielle de l’échantillon en graphite pour produire ces chocs et la durée très limitée dans le temps de ces chocs, de l’ordre de la microseconde. Les diamants obtenus sont uniquement sous la forme de nanocristaux ou de microcristaux.
Présentation de l’invention
La présente invention vise à remédier aux inconvénients des solutions proposées par l’art antérieur, notamment à ceux exposés ci-avant.
A cet effet, il est proposé par la présente invention un procédé pour produire une pièce céramique à partir d’un échantillon de poudre céramique, comportant :
- le chauffage, par un système de chauffage, de l’échantillon de poudre céramique à une température minimale prédéterminée, puis
- la génération et l’émission, par une pluralité de générateurs d’ondes acoustiques, d’une pluralité d’ondes acoustiques, vers un système de focalisation, chaque générateur d’ondes acoustiques étant configuré pour émettre une onde acoustique de fréquence f comprise entre 1 MHz et 100 MHz, lesdites ondes acoustiques générant ensemble en entrée du système de focalisation une intensité acoustique Ie,
- la focalisation desdites ondes acoustiques, par le système de focalisation, en une zone focale dans l’échantillon de poudre céramique, le système de focalisation définissant un facteur multiplicatif M.
Lesdites ondes acoustiques focalisées génèrent ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique minimale d’au moins M x le, suffisante pour, combinée avec la température minimale de chauffage appliquée à l’échantillon de poudre céramique, fritter la poudre céramique dans ladite partie de la zone focale.
Par céramique, on entend les céramiques dites techniques. Parmi les céramiques techniques, on peut citer :
- les oxydes céramiques, qui se composent principalement d'oxyde métallique tels que par exemple l'oxyde de zirconium ou l’alumine ; - les céramiques non oxyde qui sont des matériaux à base de composés carbonés, nitrurés et siliconés tels que le carbure de silicium, le carbure de tungstène ou le nitrure d'aluminium ;
- les céramiques à base de silicate, principalement fabriquées à partir de matières premières combinées avec des alumines comme le silicate d'aluminium.
Le procédé selon l’invention permet avantageusement de chauffer une poudre céramique à une température minimale prédéfinie, tout en la comprimant localement à une pression telle que le frittage de la poudre céramique puisse se réaliser.
Il est clair du procédé que le chauffage de l’échantillon est réalisé préalablement à la génération et l’émission des ondes acoustiques par la pluralité des générateurs d’ondes acoustiques. Le chauffage de l’échantillon ne provient nullement des ondes acoustiques émises par la pluralité des générateurs d’ondes acoustiques.
La température minimale prédéfinie est préférentiellement supérieure à la température de frittage de la poudre céramique choisie. La température de frittage correspond à la température minimale nécessaire pour que, à une pression donnée, le frittage de la poudre puisse se réaliser. Plus la pression appliquée est élevée, moins la température de frittage est élevée.
Il est connu que la pression acoustique peut être exprimée en fonction de l’intensité acoustique. Pour un matériau donné initialement à température et pression ambiantes, chaque valeur d’intensité acoustique donne une pression. Ainsi, connaissant la pression en fonction de l’intensité acoustique et la température minimale nécessaire au frittage en fonction de la pression pour une même poudre, il est possible d’accéder à la température minimale nécessaire au frittage en fonction de l’intensité acoustique.
Ainsi, selon la poudre céramique utilisée dans le procédé selon l’invention, il est possible d’y associer un couple de valeurs (intensité acoustique, température de chauffage) à appliquer qui permet avantageusement de réaliser le frittage de la poudre dans la au moins une partie de la zone focale.
En d’autres termes, la température de frittage d’une poudre céramique est fonction de l’intensité acoustique qui est générée au niveau de la au moins une partie de la zone focale. L’intensité acoustique et la température de frittage nécessaires pour réaliser le frittage d’une poudre céramique dépendent de la poudre céramique utilisée. A partir de la connaissance préalable de l’intensité acoustique qui peut être générée, au niveau de la au moins une partie de la zone focale, par les ondes acoustiques focalisées, la température de frittage peut est déduite. Le procédé selon l’invention peut ensuite être appliqué, pour une poudre céramique donnée, avec le couple de valeurs (intensité acoustique, température de chauffage) à appliquer, pour pouvoir réaliser le frittage de la poudre céramique dans la au moins une partie de la zone focale.
Le procédé selon l’invention permet ainsi avantageusement de créer un frittage de la poudre céramique au niveau d’une partie de la zone focale. Le procédé permet avantageusement de contrôler finement la localisation spatiale où les conditions sont réunies pour permettre le frittage de cette poudre céramique.
Dans un exemple de mise en œuvre, le procédé selon l’invention permet, à partir d’une intensité acoustique de 5.1011 W.nr2, et une température de chauffage minimale de 1360°C, d’obtenir du diamant par frittage de poudre de diamant.
Selon des modes de mise en œuvre particuliers, l’invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.
Dans des modes de mises en œuvre particuliers de l’invention, la poudre de céramique est choisie parmi : une poudre de diamant, une poudre de carbure de tungstène, une poudre de nitrure de silicium, une poudre de zircone totalement stabilisée, une poudre d’alumine alpha, une poudre d’alumine gamma, et une poudre d’oxyde de titane.
Dans des modes de mises en œuvre particuliers de l’invention, le procédé comporte, pendant l’émission des ondes acoustiques, le déplacement de la zone focale dans l’échantillon.
Un tel déplacement de la zone focale dans l’échantillon permet avantageusement de fritter l’échantillon en des zones choisies pour produire une pièce avec une forme déterminée à partir de la poudre.
L’invention est également relative à un dispositif pour la mise en œuvre du procédé conforme à au moins l’un de ses modes de mise en œuvre, ledit dispositif comportant :
- un système de chauffage destiné à chauffer l’échantillon,
- une pluralité de générateurs d’ondes acoustiques, configurés pour générer chacun une onde acoustique, la pluralité de générateurs d’ondes acoustiques et le système de chauffage de l’échantillon étant des éléments distincts dans ledit dispositif,
- un système de focalisation des ondes acoustiques en une zone focale dans l’échantillon, le système de focalisation définissant le facteur multiplicatif M.
Chaque générateur d’ondes acoustiques du dispositif est avantageusement configuré pour émettre une onde acoustique, de fréquence f, de préférence comprise entre 1 MHz et 100 MHz.
Dans un exemple préféré de réalisation, tous les générateurs d’ondes acoustiques du dispositif émettent à une même fréquence.
Le système de focalisation est agencé et dimensionné pour recevoir l’ensemble des ondes acoustiques émises par les générateurs d’ondes acoustiques.
Selon des modes de réalisation particuliers, l’invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.
Dans des modes de réalisation particuliers, le système de chauffage permet un chauffage de l’échantillon par effet Joule ou par effet inductif.
Dans des modes de réalisation particuliers, chaque générateur d’ondes acoustiques est un actionneur piézoélectrique.
Dans des modes de réalisation particuliers, pour fritter l’ensemble de l’échantillon, le dispositif comporte un organe de déplacement de la zone focale dans l’échantillon.
Dans des exemples de réalisation d’organe de déplacement, ledit organe de déplacement de la zone focale dans l’échantillon est un organe de déplacement du système de focalisation des ondes acoustiques et/ou un organe de déplacement de l’échantillon et/ou un organe de déplacement des générateurs d’ondes acoustiques et/ou un organe de déphasage des générateurs d’ondes acoustiques.
L’invention est également relative à un procédé pour produire du diamant à partir d’un échantillon comportant une poudre en graphite, comportant :
- le chauffage, par un système de chauffage, de l’échantillon de poudre en graphite à une température minimale prédéterminée, puis
- la génération et l’émission, par une pluralité de générateurs d’ondes acoustiques, d’une pluralité d’ondes acoustiques, vers un système de focalisation, chaque générateur d’ondes acoustiques étant configuré pour émettre une onde acoustique de fréquence f comprise entre 1 MHz et 100 MHz, lesdites ondes acoustiques générant ensemble en entrée du système de focalisation une intensité acoustique Ie,
- la focalisation desdites ondes acoustiques, par le système de focalisation, en une zone focale dans l’échantillon de poudre en graphite, le système de focalisation définissant un facteur multiplicatif M, lesdites ondes acoustiques focalisées générant ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique au moins égale à M x le = 1.1012 W.rrr2 correspondant à une intensité acoustique minimale suffisante pour : o dans une première phase, réaliser un changement de phase de la poudre de graphite en poudre de diamant, puis o dans une deuxième phase, combinée avec la température minimale de chauffage appliquée à l’échantillon (50), fritter la poudre de diamant obtenue.
Pour réaliser un changement de phase du graphite en diamant, au niveau de la zone focale, l’intensité acoustique doit être suffisante pour que :
- la pression acoustique atteinte dépasse une pression minimale suffisante rendant le diamant plus stable que le graphite,
- l’énergie cinétique des atomes soit suffisante pour rompre la métastabilité dudit graphite pendant la durée de l’émission des ondes acoustiques.
Lorsque l’intensité acoustique générée au niveau de la zone focale est au moins égale à 1.1012 W.rrr2, la durée de l’émission de l’intensité acoustique conditionne ensuite le pourcentage de conversion du graphite en diamant dans cette zone focale. En d’autres termes, pour une intensité acoustique émise donnée au niveau de la zone focale, plus la durée de l’émission de l’intensité acoustique est importante, plus le pourcentage de conversion du graphite en diamant augmente dans la zone focale. De plus, pour un pourcentage souhaité de conversion du graphite en diamant, plus l’intensité acoustique émise est importante, plus la durée de l’émission de l’intensité acoustique au niveau de la zone focale est réduite.
Ainsi, selon l’intensité acoustique générée au niveau de la zone focale, les ondes acoustiques sont préférentiellement émises pendant au moins une durée minimum permettant un pourcentage prédéfini souhaité de conversion du graphite en diamant dans la zone focale. Il est clair du procédé que le chauffage de l’échantillon est réalisé préalablement à la génération et l’émission des ondes acoustiques par la pluralité des générateurs d’ondes acoustiques. Le chauffage de l’échantillon ne provient nullement des ondes acoustiques émises par la pluralité des générateurs d’ondes acoustiques. En chauffant parallèlement l’échantillon, à une température minimale prédéfinie, dans la partie de la zone focale où l’intensité acoustique atteint 1.1012 W.nr2, la poudre de diamant obtenue est avantageusement densifiée par frittage.
La température de frittage de la poudre en graphite est fonction de l’intensité acoustique qui est générée au niveau de la au moins une partie de la zone focale.
A partir de la connaissance préalable de l’intensité acoustique qui peut être générée, au niveau de la au moins une partie de la zone focale, par les ondes acoustiques focalisées, la température de frittage peut est déduite. Le procédé selon l’invention peut ensuite être appliqué, pour la poudre en graphite, avec le couple de valeurs (intensité acoustique, température de chauffage) à appliquer, pour pouvoir réaliser le frittage de la poudre en graphite dans la au moins une partie de la zone focale.
L’invention est également relative à un procédé pour produire du diamant à partir d’un échantillon comportant une poudre de carbone amorphe, comportant :
- le chauffage de l’échantillon de poudre de carbone amorphe à une température minimale prédéterminée, puis
- la génération et l’émission, par une pluralité de générateurs d’ondes acoustiques, d’une pluralité d’ondes acoustiques, vers un système de focalisation, chaque générateur d’ondes acoustiques étant configuré pour émettre une onde acoustique de fréquence f comprise entre 1 MHz et 100 MHz, lesdites ondes acoustiques générant ensemble en entrée du système de focalisation une intensité acoustique Ie,
- la focalisation desdites ondes acoustiques, par le système de focalisation, en une zone focale dans l’échantillon de poudre de carbone amorphe, le système de focalisation définissant un facteur multiplicatif M, lesdites ondes acoustiques focalisées générant ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique au moins égale à M x le = 2,1 ,1012 W.rrr2 correspondant à une intensité acoustique minimale suffisante pour : o dans une première phase, réaliser un changement de phase de la poudre de carbone amorphe en poudre de diamant, puis o dans une deuxième phase, combinée avec la température minimale de chauffage appliquée à l’échantillon, fritter la poudre de diamant obtenue.
Par « carbone amorphe », on entend une forme allotropique du carbone comprenant un mélange de liaisons atomiques de type sp2 (même type que le graphite) et de liaisons atomiques de type sp3 (même type que le diamant), ainsi qu’une éventuelle concentration en atomes d’hydrogènes. La répartition des différents types de liaison est aléatoire. Cette répartition ne présente pas nécessairement d’ordre à petite ou grande échelle.
Avantageusement, le carbone amorphe, sans atomes d’hydrogènes, présente généralement un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%.
Pour réaliser un changement de phase du carbone amorphe en diamant, au niveau de la zone focale, l’intensité acoustique doit être suffisante pour que :
- la pression acoustique atteinte dépasse une pression minimale suffisante rendant le diamant plus stable que le graphite,
- l’énergie cinétique des atomes soit suffisante pour rompre la métastabilité dudit graphite pendant la durée de l’émission des ondes acoustiques.
Lorsque l’intensité acoustique générée au niveau de la zone focale est au moins égale à 2,1 ,1012 W.rrr2, la durée de l’émission de l’intensité acoustique conditionne ensuite le pourcentage de conversion du carbone amorphe en diamant dans cette zone focale. En d’autres termes, pour une intensité acoustique émise donnée au niveau de la zone focale, plus la durée de l’émission de l’intensité acoustique est importante, plus le pourcentage de conversion du carbone amorphe en diamant augmente dans la zone focale. De plus, pour un pourcentage souhaité de conversion du carbone amorphe en diamant, plus l’intensité acoustique émise est importante, plus la durée de l’émission de l’intensité acoustique au niveau de la zone focale est réduite.
Ainsi, selon l’intensité acoustique générée au niveau de la zone focale, les ondes acoustiques sont préférentiellement émises pendant au moins une durée minimum permettant un pourcentage prédéfini souhaité de conversion du carbone amorphe en diamant dans la zone focale. Il est clair du procédé que le chauffage de l’échantillon est réalisé préalablement à la génération et l’émission des ondes acoustiques par la pluralité des générateurs d’ondes acoustiques. Le chauffage de l’échantillon ne provient nullement des ondes acoustiques émises par la pluralité des générateurs d’ondes acoustiques.
En chauffant parallèlement l’échantillon, à une température minimale prédéfinie, dans la partie de la zone focale où l’intensité acoustique atteint 2, 1.1012 W.nr2, la poudre de diamant obtenue est densifiée par frittage.
La température de frittage de la poudre de carbone amorphe est fonction de l’intensité acoustique qui est générée au niveau de la au moins une partie de la zone focale.
A partir de la connaissance préalable de l’intensité acoustique qui peut être générée, au niveau de la au moins une partie de la zone focale, par les ondes acoustiques focalisées, la température de frittage peut est déduite. Le procédé selon l’invention peut ensuite être appliqué, pour la poudre de carbone amorphe, avec le couple de valeurs (intensité acoustique, température de chauffage) à appliquer, pour pouvoir réaliser le frittage dans la au moins une partie de la zone focale.
L’invention est également relative à un dispositif pour la mise en œuvre du procédé pour produire du diamant à partir d’un échantillon comportant une poudre en graphite ou à partir d’un échantillon comportant une poudre de carbone amorphe, ledit dispositif comportant :
- un système de chauffage destiné à chauffer l’échantillon,
- une pluralité de générateurs d’ondes acoustiques, configurés pour générer chacun une onde acoustique, la pluralité de générateurs d’ondes acoustiques et le système de chauffage de l’échantillon étant des éléments distincts dans ledit dispositif,
- un système de focalisation des ondes acoustiques en une zone focale dans l’échantillon, le système de focalisation définissant le facteur multiplicatif M.
Chaque générateur d’ondes acoustiques du dispositif est avantageusement configuré pour émettre une onde acoustique, de fréquence f, de préférence comprise entre 1 MHz et 100 MHz.
Dans un exemple préféré de réalisation, tous les générateurs d’ondes acoustiques du dispositif émettent à une même fréquence. Le système de focalisation est agencé et dimensionné pour recevoir l’ensemble des ondes acoustiques émises par les générateurs d’ondes acoustiques.
Selon des modes de réalisation particuliers, l’invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.
Dans des modes de réalisation particuliers, le système de chauffage permet un chauffage de l’échantillon par effet Joule ou par effet inductif.
Dans des modes de réalisation particuliers, chaque générateur d’ondes acoustiques est un actionneur piézoélectrique.
Dans des modes de réalisation particuliers, pour faire croire le diamant, le dispositif comporte un organe de déplacement de la zone focale dans l’échantillon.
Dans des exemples de réalisation d’organe de déplacement, ledit organe de déplacement de la zone focale dans l’échantillon est un organe de déplacement du système de focalisation des ondes acoustiques et/ou un organe de déplacement de l’échantillon et/ou un organe de déplacement des générateurs d’ondes acoustiques et/ou un organe de déphasage des générateurs d’ondes acoustiques.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures suivantes : Figure 1 représente une vue en perspective d’un dispositif adapté notamment au procédé de fabrication d’une céramique selon l’invention ;
Figure 2 représente une vue en perspective d’une moitié du dispositif de la figure 1 ; Figure 3 représente une section transversale du dispositif de la figure 2 ;
Figure 4 représente un agrandissement de la zone III de la figure 3, illustrant un exemple de réalisation d’un actionneur piézoélectrique ;
Figure 5 représente un graphique illustrant la température de frittage en fonction de la pression, pour différents types de poudre céramique ;
Figure 6 représente un graphique illustrant la température de frittage en fonction de l’intensité acoustique, pour différents types de poudre céramique,
Figure 7 représente une courbe de modélisation illustrant la pression induite en fonction de l’intensité acoustique, pour du graphite et du carbone amorphe ;
Figure 8 représente une courbe de modélisation illustrant l’énergie cinétique en fonction de l’intensité acoustique, pour du graphite et du carbone amorphe ; Figure 9 représente un graphique illustrant la durée nécessaire d’émission d’une onde acoustique en fonction de l’intensité de ladite onde acoustique pour recréer les conditions suffisantes pour parvenir à un changement de phase de 99% d’un échantillon de graphite en diamant et d’un échantillon de carbone amorphe en diamant.
Dans ces figures, des références numériques identiques d’une figure à l’autre désignent des éléments identiques ou analogues. Par ailleurs, pour des raisons de clarté, les dessins ne sont pas à l’échelle, sauf mention contraire.
Description des modes de réalisation
Un dispositif 100 est illustré sur les figures 1 à 4. Ce dispositif 100 est adapté à la fois pour réaliser :
- un procédé de fabrication d’une pièce céramique à partir d’un échantillon 50 de poudre céramique ; ce procédé sera dénommé par la suite premier procédé ;
- un procédé de fabrication d’un diamant à partir d’un échantillon 50 comportant une poudre de graphite ou de carbone amorphe ; ce procédé sera dénommé par la suite deuxième procédé.
Dans le cas du premier procédé, l’échantillon 50 comporte uniquement de la poudre céramique.
La poudre céramique est préférentiellement choisie parmi une poudre de carbure de tungstène, de nitrure de silicium, de zircone totalement stabilisée (connu sous l’acronyme FSZ pour « fully stabilized zirconia »), d’alumine alpha, d’alumine gamma, d’oxyde de titane, de diamant.
Dans le cas du deuxième procédé, l’échantillon 50 peut comporter un germe de diamant et de la poudre de graphite ou de carbone amorphe. De préférence, l’échantillon 50 ne comporte que de la poudre de graphite ou de carbone amorphe. De préférence, la poudre céramique ou la poudre de graphite ou de carbone amorphe est constituée de grains de taille nanométrique. Les grains sont dissociés les uns des autres.
Dans la suite de la description, par « grains », on entend des particules dont le rapport de la plus grande dimension sur la plus petite dimension est de préférence inférieur ou égal à 5. Les grains peuvent être de forme sphérique, cubique ou autres formes géométriques. On entend, par le terme « taille », appliqué aux grains, la plus grande dimension de ces grains.
On entend également, par le terme « nanométrique », une dimension supérieure ou égal à 1 nanomètre et inférieure à 1000 nanomètres.
Le dispositif 100 comporte, comme illustré sur les figures 1 à 4 :
- une pluralité de générateurs 10 d’ondes acoustiques,
- un système de focalisation 20 desdites ondes acoustiques en une zone focale dans l’échantillon 50.
De préférence, comme illustré sur les figures 3 et 4, les générateurs 10 d’ondes acoustiques sont accolés au système de focalisation 20.
L’échantillon 50, situé en aval du système de focalisation 20, est disposé dans un milieu, dit milieu de propagation 40. L’échantillon 50 est maintenu en position dans le milieu de propagation 40. Un récipient 70, placé dans le milieu de propagation 40, permet par exemple de contenir l’échantillon 50.
Dans une forme de réalisation, le récipient 70 se présente sous la forme d’un tube, fermé à au moins une de ses deux extrémités, de préférence fermé à ses deux extrémités.
Chaque générateur 10 d’ondes acoustiques du dispositif 100 est configuré pour générer et émettre une onde acoustique, de fréquence f, de préférence comprise entre 1 MHz et 100 MHz.
Dans un exemple préféré de réalisation, tous les générateurs 10 d’ondes acoustiques du dispositif 100 émettent à une même fréquence.
De préférence, les ondes acoustiques émises par les générateurs 10 sont synchrones.
Dans un autre exemple non limitatif de réalisation, une partie des générateurs 10 d’ondes acoustiques du dispositif 100, par exemple la moitié, émettent à une même fréquence fi et les autres générateurs 10 d’ondes acoustiques du dispositif 100 émettent à une même fréquence f2, différente de fi.
Chaque générateur 10 d’ondes acoustiques du dispositif 100 est configuré pour générer et émettre une onde acoustique, de puissance P.
De préférence, les générateurs 10 d’ondes acoustiques sont similaires entre eux. Dans un exemple préféré de réalisation, les générateurs 10 d’ondes acoustiques sont des actionneurs piézoélectriques. Un actionneur piézoélectrique convertit un signal électrique en un signal acoustique, à une puissance donnée. Dans une forme préférée de réalisation d’un actionneur piézoélectrique, ledit actionneur piézoélectrique comporte un empilement successif de couches :
- au moins une couche 11 de désadaptation d’impédance,
- au moins un élément piézoélectrique 12,
- au moins une couche 13 d’adaptation d’impédance.
Le au moins un élément piézoélectrique 12 est ainsi intercalé entre la au moins une couche 11 de désadaptation d’impédance et la au moins une couche 13 d’adaptation d’impédance. La au moins une couche 13 d’adaptation d’impédance est, quant à elle, intercalée entre le au moins un élément piézoélectrique 12 et le système de focalisation 20.
Dans l’exemple non limitatif illustré sur la figure 4, l’actionneur piézoélectrique 10 comporte deux couches 11 de désadaptation d’impédance, un élément piézoélectrique 12 et une couche 13 d’adaptation d’impédance.
La fréquence du signal électrique appliqué aux bornes du au moins un élément piézoélectrique 12 détermine la fréquence de l’onde acoustique générée. Cette fréquence peut par exemple correspondre à la fréquence de résonance du au moins un élément piézoélectrique 12 pour maximiser le taux de conversion du signal électrique en onde acoustique.
La au moins une couche 13 d’adaptation d’impédance est préférentiellement configurée pour maximiser la transmission de l’onde acoustique du au moins un élément piézoélectrique 12 vers le système de focalisation 20.
La au moins une couche 11 de désadaptation d’impédance est préférentiellement configurée pour minimiser la transmission de l’onde acoustique hors du dispositif 100.
Les actionneurs piézoélectriques 10 sont préférentiellement disposés et maintenus fixement dans une pièce, dénommée barillet 15.
Ledit barillet comporte une pluralité d’orifices 151 destinés à recevoir chacun un actionneur piézoélectrique. Lesdits orifices sont traversants dans l’épaisseur du barillet.
Chaque actionneur piézoélectrique 10 est disposé dans un orifice 151 du barillet 15 de sorte que la au moins une couche 13 d’adaptation d’impédance est en vis-à-vis du système de focalisation 20.
Lesdits orifices du barillet 15 sont préférentiellement parallèles les uns aux autres. Les actionneurs piézoélectriques 10 étant disposés parallèlement les uns aux autres, les ondes acoustiques en sortie des actionneurs piézoélectriques se propagent dans la même direction.
Lesdits orifices sont préférentiellement agencés dans le barillet 15 de sorte que les actionneurs piézoélectriques 10 sont disposés de manière équidistante les uns par rapport aux autres.
Les éléments constitutifs des actionneurs piézoélectriques 10 sont par exemple de forme cylindrique. Les orifices 151 du barillet 15 sont de forme cylindrique.
Préférentiellement, un boulon de précontrainte 16 est configuré pour maintenir et comprimer un actionneur piézoélectrique 10 dans un orifice 151 du barillet 15. Une telle compression sur l’actionneur piézoélectrique permet avantageusement de maximiser le taux de conversion de l’énergie électrique en énergie acoustique. Chaque boulon de précontrainte 16 prend préférentiellement appui sur la couche 11 de désadaptation d’impédance.
Le dispositif 100 comporte autant de boulons de précontrainte 16 que d’actionneurs piézoélectriques 10.
Le dispositif 100 comporte de préférence une pièce, dénommée capot 17, fixement solidaire du barillet 15. Ledit capot comporte des orifices 171 taraudés dans lesquels se vissent les boulons de précontrainte 16.
Le dispositif 100 comporte de préférence une unité de gestion (non représentée sur les figures) des générateurs 10 d’ondes acoustiques.
Le dispositif 100, de préférence l’unité de gestion, est configuré pour contrôler la durée de l’émission des ondes acoustiques par la pluralité de générateurs 10 d’ondes acoustiques.
Dans un exemple de réalisation (non représenté sur les figures), l’unité de gestion comporte une source d’alimentation et une unité de synchronisation.
Ladite source d’alimentation est configurée pour alimenter électriquement chacun des générateurs 10 d’ondes acoustiques, sous la forme d’un signal continu.
Ladite unité de synchronisation est configurée pour piloter les générateurs 10 d’ondes acoustiques de manière synchrone.
Dans un exemple non limitatif de réalisation, lorsque les générateurs 10 d’ondes acoustiques sont des actionneurs piézoélectriques, l’unité de gestion comporte :
- une source d’alimentation configurée pour fournir la puissance nécessaire à chacun des actionneurs piézoélectriques, sous forme d’un signal continu ;
- une unité de synchronisation comportant : o une première horloge, dite primaire, pour piloter les actionneurs piézoélectriques à partir d’une même et unique référence temporelle ; o des horloges en cascade pour commander les circuits de puissance de chacun des actionneurs piézoélectriques avec des signaux en phase ; o des circuits de puissance constitués de demi-pont en H pour charger et décharger les actionneurs piézoélectriques.
Comme décrit précédemment, le dispositif 100 comporte en outre un système de focalisation 20.
Un tel système de focalisation 20 est configuré pour recevoir et focaliser les ondes acoustiques, émises par la pluralité de générateurs 10 d’ondes acoustiques, en une zone focale dans l’échantillon 50.
Par zone focale, on entend une région de dimension réduite, où toutes les ondes acoustiques vont converger.
La zone focale est préférentiellement de dimension inférieure à celle de l’échantillon 50.
De préférence, l’échantillon est contenu dans un récipient 70 en forme de tube de diamètre 50 mm et de longueur 50 mm. L’échantillon remplit complètement le récipient.
De préférence, la zone focale est de dimension inférieure à 1 mm x 1 mm x 1 mm.
Les dimensions de la zone focale sont fixées par la fréquence des ondes acoustiques, la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans l’échantillon 50, le diamètre de la section transversale du système de focalisation 20 et la distance focale du système de focalisation 20. Par section transversale, on entend la section qui est perpendiculaire à un axe de symétrie du système de focalisation.
La zone focale est généralement assimilable à un ellipsoïde, de section transversale circulaire. Par section transversale de la zone focale, on entend la section qui est perpendiculaire au sens de propagation d’une onde acoustique située dans un axe de symétrie du système de focalisation. L’ellipsoïde est défini par son demi grand axe et son demi petit axe. Le demi grand axe correspond à la moitié de la longueur de l’ellipsoïde, dans le sens de propagation d’une onde acoustique située dans un axe de symétrie du système de focalisation. Le demi petit axe correspond au rayon de la section transversale maximale. Préférentiellement, la zone focale est un ellipsoïde, de section transversale circulaire, de demi grand axe compris entre 0,2 mm et 2 mm et de demi petit axe compris entre 0,05 mm et 1 mm, encore plus préférentiellement compris entre 0,07 mm et 0,75 mm, les valeurs hautes s’appliquant aux poudres ayant des grandes vitesses acoustiques, comme par exemple la poudre de diamant, et les valeurs basses s’appliquant aux poudres ayant de faibles vitesses acoustiques, comme par exemple la poudre de graphite.
De préférence, l’échantillon est initialement placé pour centrer la zone focale dans l’échantillon, c’est-à-dire pour que le centre de l’ellipsoïde coïncide avec le centre de l’échantillon.
On définira par plan focal de la zone focale, le plan transversal de la zone focale passant par le centre de l’ellipsoïde. En d’autres termes, la section transversale maximale de l’ellipsoïde est contenue dans le plan focal.
Ainsi, l’échantillon 50 est préférentiellement initialement placé de sorte que le plan focal de la zone focale passe par le centre de l’échantillon.
Le système de focalisation 20 définit un facteur multiplicatif M. Ce facteur multiplicatif M se définit comme le rapport entre la section transversale (aire) d’entrée du système de focalisation et la section transversale (aire) de la zone focale dans le plan focal. Par section transversale de la zone focale dans le plan focal, on entend celle correspondant à la section transversale passant par le centre de l’ellipsoïde.
Le système de focalisation 20 est agencé et dimensionné pour recevoir l’ensemble des ondes acoustiques émises par les générateurs 10 d’ondes acoustiques.
Le système de focalisation 20 est configuré de sorte à présenter une distance focale minimale. Une distance focale minimale permet avantageusement de minimiser le volume de la zone focale, et donc de maximiser les intensités acoustiques atteintes dans la zone focale. Dans un exemple préféré de réalisation, quelle que soit la poudre utilisée, la distance focale est de l’ordre de 100 mm, pour un système de focalisation 20 de diamètre 15 cm. La distance focale augmente si le diamètre du système de focalisation 20 augmente.
Le système de focalisation 20 présente avantageusement une forme adaptée en fonction de la vitesse acoustique du milieu de propagation 40 et de sa propre vitesse acoustique. Dans un exemple de réalisation du système de focalisation 20, ledit système de focalisation est une lentille de focalisation. La lentille de focalisation comporte :
- une première face 21 , destinée à être en vis-à-vis des générateurs 10 d’ondes acoustiques, présentant une surface plan d’appui pour les générateurs 10 d’ondes acoustiques,
- une seconde face 22, destinée à être en vis-à-vis de l’échantillon 50, présentant une forme qui est fonction de la vitesse acoustique du milieu de propagation 40 et de la vitesse acoustique de la lentille de focalisation.
Dans cet exemple de réalisation, les dimensions de la zone focale, donc son volume, sont ainsi fixées par la fréquence f des ondes acoustiques, la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans la poudre choisie, le diamètre de la lentille de focalisation et la distance focale de la lentille de focalisation.
A titre d’exemple non limitatif, pour un échantillon 50 sous la forme de poudre de graphite, pour une fréquence des ondes acoustiques de 20 MHz, une propagation des ondes acoustiques dans du graphite, un système de focalisation de diamètre 150 mm et une distance focale du système de focalisation de 100 mm, la zone focale est assimilable à un ellipsoïde, de section transverse circulaire, de demi grand axe 0,5 mm et de demi petit axe 0,18 mm.
Dans un autre exemple non limitatif, pour un échantillon sous la forme de poudre de diamant, pour une fréquence des ondes acoustiques de 20 MHz, une propagation des ondes acoustiques dans la poudre de diamant, un système de focalisation de diamètre 450 mm et une distance focale du système de focalisation de 300 mm, la zone focale est assimilable à un ellipsoïde, de section transverse circulaire, de demi grand axe 1.0 mm et de demi petit axe 0.35 mm.
Dans l’exemple illustré sur la figure 1 , le système de focalisation 20 est une lentille sphérique plan-concave. En d’autres termes, la première face 21 est plane et la seconde face 22 est concave.
Le facteur multiplicatif M de la lentille sphérique plan-concave se définit alors comme le rapport entre la section transversale (l’aire) de la première face 21 et la section transversale de la zone focale dans le plan focal.
Dans une forme de réalisation du dispositif, le système de focalisation 20 est disposé et maintenu fixement dans un cylindre 19. Le barillet 15, comportant les générateurs 10 d’ondes acoustiques, est disposé au niveau d’une première extrémité 191 du cylindre. Une plaque, formant couvercle 18, est disposée au niveau d’une seconde extrémité 192 du cylindre. Le système de focalisation 20 et le couvercle 18 sont séparés par le milieu de propagation 40.
Dans l’exemple non limitatif de la figure 1 , le cylindre 19 est de section circulaire.
De préférence, le milieu de propagation 40 est choisi de sorte à favoriser la propagation des ondes acoustiques en sortie du système de focalisation 20 vers l’échantillon 50. Le milieu de propagation 40 est préférentiellement un milieu solide ou un milieu liquide.
Le milieu de propagation 40 est par exemple de l’eau ou du gallium liquide.
De préférence, le système de focalisation 20 est réalisé dans un matériau présentant d’une part une vitesse de propagation des ondes acoustiques très supérieure à celle du milieu de propagation pour minimiser la distance focale du système de focalisation, et ainsi minimiser les dimensions de la zone focale. Le système de focalisation 20 est réalisé dans un matériau présentant d’autre part une impédance acoustique proche de l’impédance acoustique du milieu de propagation 40 pour maximiser la transmission des ondes acoustiques du système de focalisation 20 vers le milieu de propagation 40.
Dans un exemple préféré de réalisation, le système de focalisation 20 est réalisé en aluminium. La vitesse de propagation des ondes acoustiques dans l’aluminium est de l’ordre de 6400 m.s’1 , et celle du gallium de 2850 m.s’1. L’impédance acoustique de l’aluminium est de l’ordre de 17 MRayls, tout comme celle du gallium, permettant ainsi une transmission de 100% des ondes acoustiques du système de focalisation 20 vers le milieu de propagation 40.
Le dispositif 100 comporte en outre un système de chauffage (non représenté sur les figures) de l’échantillon 50. Le système de chauffage est configuré pour assurer une température de chauffage uniforme de l’échantillon 50.
Il est clair de la description que le système de chauffage de l’échantillon 50 est un élément supplémentaire dans le dispositif 100 et que le système de chauffage est un élément distinct et indépendant de la pluralité de générateurs d’ondes acoustiques.
Dans une première variante de réalisation, le système de chauffage permet un chauffage par l’effet Joule. Le système de chauffage comporte par exemple deux câbles électriques reliés chacun au récipient 70 contenant l’échantillon 50. Les deux câbles électriques sont préférentiellement disposés à distance l’un de l’autre. Le récipient est parcouru par un courant électrique, continu ou alternatif, de forte intensité, avec une tension de quelques volts. Le courant appliqué est de l’ordre de plusieurs kiloampères. Le passage du courant électrique au sein du récipient entraine réchauffement de l’échantillon 50.
De préférence, le récipient 70 est réalisé dans un matériau électriquement conducteur, par exemple en graphite.
Avec un récipient en graphite, il est possible de chauffer l’échantillon 50 jusqu’à 3000 °C.
Dans une deuxième variante de réalisation, le système de chauffage permet un chauffage par effet inductif. Ledit système de chauffage comporte par exemple une bobine d’induction enroulée autour du récipient 70. Le récipient est, de préférence, réalisé sous la forme d’un tube. La bobine d’induction est alimentée en courant électrique alternatif de sorte à générer un courant induit dans le récipient 70 pour le chauffer et chauffer l’échantillon 50.
De préférence, le récipient 70 est réalisé dans un matériau électriquement conducteur, par exemple en métal.
Selon le métal utilisé, il est possible de chauffer l’échantillon 50 jusqu’à 1000°C- 1500°C.
Pour rappel, le diamant est stable à température et pression ambiantes mais retourne sous forme graphite quand il est chauffé à plus de 800°C sous atmosphère oxygénée et à plus de 1700°C sous atmosphère inerte ou sous vide.
De préférence, l’échantillon 50, lorsqu’il s’agit de poudre de diamant, est plongé dans une atmosphère inerte ou sous vide. Par extension, tout le dispositif 100, est plongé dans une atmosphère inerte ou sous vide.
Dans le cas des autres céramiques, il n’y a aucune contrainte quant à l’atmosphère dans lequel est plongé l’échantillon.
Dans un mode préféré de réalisation, non représenté sur les figures, le dispositif 100 comporte un organe de déplacement (non représenté sur les figures) de la zone focale dans l’échantillon 50. Un tel organe de déplacement permet avantageusement de déplacer la zone focale dans l’échantillon pour former la pièce céramique.
Dans un exemple de réalisation d’un organe de déplacement, ledit organe de déplacement est configuré pour déplacer l’échantillon 50. Dans un autre exemple de réalisation d’un organe de déplacement, ledit organe de déplacement est configuré pour déplacer le système de focalisation 20.
Dans un autre exemple de réalisation d’un organe de déplacement, ledit organe de déplacement est configuré pour déplacer les générateurs 10 d’ondes acoustiques.
Dans un autre exemple de réalisation d’un organe de déplacement, ledit organe de déplacement est configuré pour déphaser les générateurs 10 d’ondes acoustiques. Le premier procédé est à présent décrit.
Le premier procédé vient s’appuyer sur le principe du frittage flash à haute pression. En d’autres termes, le premier procédé permet de chauffer la poudre céramique à une température prédéfinie, tout en la comprimant localement à une pression telle que le frittage de la poudre céramique puisse se réaliser.
Il est connu de l’homme du métier que plus la pression appliquée est élevée, moins la température de frittage est élevée. Pour rappel, la température de frittage correspond à la température minimale nécessaire pour que, à une pression donnée, le frittage de la poudre puisse se réaliser.
A titre illustratif, la figure 5 représente sept exemples de courbes illustrant, pour différentes valeurs de pression (en GPa), la température minimale nécessaire pour fritter la poudre. Chaque courbe est associée à un type de poudre céramique. Dans la figure 5, les différentes poudres représentées sont une poudre de diamant, une poudre de carbure de tungstène, une poudre de nitrure de silicium, une poudre de zircone totalement stabilisée, une poudre d’alumine alpha, une poudre d’alumine gamma, et une poudre d’oxyde de titane.
Le premier procédé comporte le chauffage de l’échantillon 50, à une température prédéterminée.
L’échantillon est chauffé jusqu’à atteindre une température minimale prédéterminée. La température minimale est préférentiellement supérieure à la température de frittage de la poudre céramique choisie, la température de frittage étant fonction de la pression qui va être appliquée au niveau de la zone focale de l’échantillon 50.
A titre d’exemple, illustré sur la figure 5, pour une poudre de diamant, la température de frittage est de 1400°C pour une pression appliquée de 4 GPa et de 1300°C pour une pression appliquée de 5 GPa.
Le chauffage est réalisé de préférence par le système de chauffage du dispositif 100. Dans un mode de mise en œuvre, le chauffage est réalisé par effet joule, en faisant parcourir, via des câbles électriques, un courant électrique dans le récipient 70.
Dans un autre mode de mise en œuvre, le chauffage est réalisé par effet inductif, en générant un courant induit dans le récipient 70, via la bobine d’induction.
Une fois que l’échantillon 50 est à la température minimale prédéterminée, le premier procédé comporte la génération et l’émission d’une pluralité d’ondes acoustiques.
Il est clair de la description que l’étape de génération et l’émission d’une pluralité d’ondes acoustiques est réalisée après l’étape de chauffage. L’étape de génération et l’émission d’une pluralité d’ondes acoustiques n’est réalisée que lorsque l’échantillon 50 est à la température minimale prédéterminée.
Lesdites ondes acoustiques sont émises simultanément pendant des durées prédéterminées, de préférence pendant une même durée.
A titre d’exemple illustratif, les ondes acoustiques sont émises chacune pendant une durée de l’ordre de l’heure.
La génération et l’émission des ondes acoustiques sont réalisées de préférence via les générateurs 10 d’ondes acoustiques, contrôlés par l’unité de gestion. La durée de l’émission de chacune des ondes acoustiques est contrôlée par l’unité de gestion. Chaque générateur 10 d’ondes acoustiques génère et émet une onde acoustique, de puissance prédéterminée. De préférence, les puissances générées par les générateurs 10 d’ondes acoustiques sont identiques.
Les ondes acoustiques génèrent ensemble en entrée du système de focalisation 20 une intensité acoustique le.
Pour rappel, l’intensité acoustique le générée en entrée du système de focalisation est déterminée par le rapport entre la puissance injectée dans le système de focalisation 20 et la section d’entrée du système de focalisation 20. La puissance injectée dans le système de focalisation 20 est quant à elle déterminée par la multiplication du nombre de générateurs 10 d’ondes acoustiques utilisés par la puissance générée par un générateur 10 d’ondes acoustiques (en partant du principe que tous les générateurs d’ondes acoustiques génèrent la même puissance).
Les ondes acoustiques émises sont ensuite focalisées dans la zone focale située dans l’échantillon 50. Les ondes acoustiques sont émises en direction du système de focalisation 20, vont traverser ledit système de focalisation et vont toutes converger vers l’échantillon 50, dans la zone focale.
On comprend aisément que, dans la zone focale, les ondes acoustiques focalisées vont générer une intensité acoustique correspondant, à un facteur près, à la multiplication de l’intensité acoustique le en entrée du système de focalisation par le facteur multiplicatif M dudit système de focalisation. Ce facteur multiplicatif M est un facteur multiplicatif de l’intensité acoustique le, facteur qui est induit par la focalisation.
L’intensité acoustique n’est pas uniforme dans la zone focale.
Plus précisément, il est connu que la répartition spatiale d’une intensité acoustique dans un plan focal n’est pas uniforme mais se présente comme une tache d’Airy. Ainsi, dans le plan focal, l’intensité acoustique forme une tache centrale (circulaire) et une série d’anneaux concentriques autour de la tache centrale. La tache centrale concentre 85 % de la puissance acoustique. La puissance acoustique restante est répartie de manière décroissante dans la série d’anneaux concentriques. L'intensité acoustique moyenne dans la tache centrale est de 0,85 x M x le. L’intensité acoustique à 80% du maximum de la tache centrale est de 2,9 x M x le. L’intensité acoustique maximale dans la tache centrale est de 3,7 x M x le. Cette intensité acoustique maximale dans la tache centrale est ponctuelle. La répartition spatiale de l’intensité acoustique dans un plan perpendiculaire au plan focal n’est pas non plus uniforme. L’intensité acoustique diminue progressivement en s’éloignant du plan focal.
La zone focale, pour l’invention, correspond, dans le plan focal, à la tache centrale. Ainsi, vu que l’intensité maximale dans la zone focale est maximale dans le plan focal, l’intensité acoustique maximale dans la zone focale est de 3,7 x M x le.
Selon l’invention, les ondes acoustiques focalisées génèrent ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique au moins égale à M x le.
Selon l’invention, il est nécessaire, qu’au niveau de la au moins une partie de la zone focale, l’intensité acoustique générée soit au moins égale à l’intensité acoustique minimale suffisante, pour que, associée à la température de chauffage appliquée à l’échantillon 50 de poudre céramique, le frittage de la poudre céramique ait lieu dans la au moins une partie de la zone focale. Il est connu, de l’homme du métier, que la pression acoustique peut être exprimée en fonction de l’intensité acoustique. Pour un matériau donné initialement à température et pression ambiantes, chaque valeur d’intensité acoustique donne une pression. Ces valeurs d’intensité acoustique ont été caractérisées de manière très détaillée par l’étude des courbes dites Hugoniot, dans le livre « LASL shock Hugoniot data » publié chez University of California Press, 1980.
Ainsi, connaissant la pression en fonction de l’intensité acoustique et la température minimale nécessaire au frittage en fonction de la pression pour une même poudre, il est possible d’accéder à la température minimale nécessaire au frittage en fonction de l’intensité acoustique.
La figure 6 représente quatre exemples de courbes illustrant, pour différentes valeurs d’intensité acoustique (en W.rrr2), la température minimale nécessaire pour fritter la poudre. Chaque courbe est associée à un type de poudre céramique. Dans l’exemple non limitatif de la figure 6, les différentes poudres représentées sont une poudre de diamant, une poudre de carbure de tungstène, une poudre de nitrure de silicium, et une poudre d’alumine alpha.
Ainsi, comme le montre la figure 6, une intensité acoustique de 4,7.1011 W.rrr2 appliquée sur un échantillon 50 de poudre de diamant chauffé à une température minimale de 1375°C, permet de fritter la poudre de diamant, alors qu’il faudrait une température supérieure à 2000°C pour fritter cette même poudre sans pression. De même, une intensité acoustique de 4,9.1010 W.rrr2 appliquée sur un échantillon 50 de poudre d’alumine alpha chauffé à une température minimale de 840°C, permet de fritter la poudre de d’alumine alpha, alors qu’il faudrait une température de 1100°C pour fritter cette même poudre sans pression.
Suivant la poudre céramique utilisée dans le premier procédé, il est possible d’y associer un couple de valeurs (intensité acoustique, température de chauffage) à appliquer qui permet avantageusement de réaliser le frittage de la poudre dans la au moins une partie de la zone focale.
Le premier procédé selon l’invention permet, à partir d’une intensité acoustique de 5.1011 W.rrr2, et une température de chauffage minimale de 1360°C, d’obtenir du diamant par frittage de poudre de diamant.
Le premier procédé selon l’invention permet, d’obtenir du diamant par frittage de poudre de diamant, à partir : - d’une intensité acoustique de 1 , 1011 W.nr2, et une température de chauffage minimale de 1700°C,
- d’une intensité acoustique de 5.1013 W.rrr2, et une température de chauffage minimale de 1000°C.
De manière générale, pour obtenir du diamant à partir d’une poudre de diamant, l'intensité acoustique peut varier de 1.1011 W.rrr2 à 5.1013 W.rrr2 et la température de chauffage minimale peut varier respectivement de 1700°C à 1000°C.
Pour éviter que le diamant ne graphitise, la température de chauffage minimale ne doit pas dépasser 1700°C, sous atmosphère inerte ou sous vide.
Des exemples supplémentaires sont décrits ci-après de manière non limitative.
Le premier procédé selon l’invention permet, d’obtenir un oxyde par frittage de poudre d’oxyde, à partir :
- d’une intensité acoustique de 5.108 W.rrr2, et une température de chauffage minimale de 1700°C,
- d’une intensité acoustique de 1 .1012 W.rrr2, et une température de chauffage minimale de 500°C.
De manière générale, pour obtenir un oxyde par frittage de poudre d’oxyde, l’intensité acoustique peut varier de 5.108 W.rrr2 à 1 .1012 W.rrr2, et une température de chauffage minimale peut varier respectivement de 1700°C à 500°C.
Parmi les oxydes, on peut citer plus particulièrement l'oxyde d'aluminium ou alumine, l'oxyde de silicium, l'oxyde de titane, l'oxyde de zinc, l'oxyde de zirconium ou zircone, l'oxyde de molybdène ou encore l'oxyde de tungstène.
Le premier procédé selon l’invention permet, d’obtenir un carbure par frittage de poudre de carbure, à partir :
- d’une intensité acoustique de 5.108 W.rrr2, et une température de chauffage minimale de 2200°C,
- d’une intensité acoustique de 5.1012 W.rrr2, et une température de chauffage minimale de 1000°C.
De manière générale, pour obtenir un carbure par frittage de poudre de carbure, l’intensité acoustique peut varier de 5.108 W.rrr2 à 5.1012 W.rrr2, et une température de chauffage minimale peut varier respectivement de 2200°C à 1000°C. Tl
Parmi les carbures, on peut citer plus particulièrement le carbure de bore, le carbure de silicium, le carbure de titane, le carbure de zirconium, le carbure de molybdène ou encore le carbure de tungstène.
Le premier procédé selon l’invention permet, d’obtenir un nitrure, un borure ou un siliciure respectivement par frittage de poudre de nitrure, de borure ou de siliciure, à partir :
- d’une intensité acoustique de 5.108 W.rrr2, et une température de chauffage minimale de 2000°C,
- d’une intensité acoustique de 5.1012 W.nr2, et une température de chauffage minimale de 700°C.
De manière générale, pour obtenir un carbure par frittage de poudre de carbure, l’intensité acoustique peut varier de 5.108 W.rrr2 à 5.1012 W.rrr2, et une température de chauffage minimale peut varier respectivement de 2000°C à 700°C.
Parmi les carbures, on peut citer plus particulièrement le nitrure de bore sous sa forme hexagonale ou sous sa forme cubique, le nitrure d'aluminium, le nitrure de silicium, le nitrure de titane, le nitrure de zirconium, le nitrure de molybdène, le nitrure de tungstène, le borure d'aluminium, le borure de titane, le borure de zirconium ou encore le siliciure de molybdène.
Exemple 1 :
Une simulation a été réalisée pour reproduire le dispositif 100 à petite échelle et déterminer un volume souhaité de la zone focale.
Dans cette simulation, le système de focalisation 20 est une lentille sphérique plan- concave. La lentille sphérique plan-concave présente les dimensions suivantes : un diamètre de la première face 21 de 7,5 mm, une épaisseur en son centre de 2 mm, et un rayon de courbure de la seconde face 22 de 4 mm. La lentille sphérique plan- concave est en aluminium.
190 actionneurs piézoélectriques, de diamètre 0,5 mm chacun, sont répartis uniformément en vis-à-vis de la première face 21 de la lentille sphérique plan- concave. Les 190 actionneurs piézoélectriques sont collés contre la première face 21 de la lentille sphérique plan-concave. Chaque actionneur piézoélectrique émet une onde acoustique, de fréquence 20 MHz. Chaque actionneur piézoélectrique génère une puissance de 1 W. Les valeurs qui suivent correspondent à un échantillon en poudre de diamant. A titre comparatif, les valeurs données entre parenthèse correspondent à un échantillon en poudre d’alumine alpha.
La simulation donne une zone focale dont le volume est assimilable à un ellipsoïde, de section transversale circulaire, de demi grand axe 0,92 mm (respectivement 0,87 mm) et de demi petit axe 0,33 mm (respectivement 0,31 mm).
De cette simulation, on peut ainsi en déduire le facteur multiplicatif M de la lentille sphérique plan-concave. Dans le cas présent, le facteur multiplicatif M est le rapport de section entre la section d’entrée de la lentille sphérique plan-concave et la section transversale de la zone focale dans le plan focal. Le facteur multiplicatif M est ainsi de 1 ,3.102 (respectivement 1 ,4.102).
Il est connu qu’une augmentation des dimensions de la lentille sphérique plan- concave n’impacte pas les dimensions de la zone focale à condition de conserver la même ouverture angulaire pour la lentille sphérique plan-concave. Pour rappel, l’ouverture angulaire est proportionnelle au rapport entre le diamètre de la première face de la lentille sphérique plan-concave et le rayon de courbure de la seconde face.
Ainsi, une lentille sphérique plan-concave avec une première face de diamètre 450 mm (respectivement 150 mm) et une seconde face avec un rayon de courbure de 240 mm (respectivement 80 mm) permet de conserver les dimensions obtenues dans la simulation pour la zone focale. Il est connu que l’épaisseur de la lentille n’impacte pas l’ouverture angulaire. L’épaisseur de la lentille est fixée à 1 cm pour minimiser avantageusement la distance de parcours des ondes acoustiques tout en préservant la solidité de la lentille.
Avec de telles dimensions, le facteur multiplicatif M de la lentille sphérique plan- concave est de 4,7.105 (respectivement 5,7.104).
Pour couvrir la première face de cette lentille sphérique plan-concave, on peut utiliser par exemple 1600 (respectivement 150) actionneurs piézoélectriques de diamètre 10 mm ou encore 10000 (respectivement 940) actionneurs piézoélectriques de diamètre 4 mm ou encore 100 (respectivement 10) actionneurs piézoélectriques de diamètre 40 mm.
Si on choisit l’exemple de 1600 (respectivement 150) actionneurs piézoélectriques de diamètre 10 mm et que chacun génère une onde acoustique de puissance 100 W, les ondes acoustiques génèrent ensemble en entrée de la lentille une intensité acoustique le de 1 ,0.106 W.nr2 (respectivement 8,5.105 W.rrr2).
Pour rappel, l’intensité acoustique le correspond au rapport entre la puissance injectée dans la lentille sphérique plan-concave et la section de la première face de la lentille sphérique plan-concave. La puissance injectée dans la lentille correspond quant à elle à la multiplication du nombre d’actionneurs piézoélectriques utilisés par la puissance générée par chaque actionneur piézoélectrique.
Il est à noter que l’on obtiendrait la même intensité acoustique en entrée de la lentille sphérique plan-concave avec la configuration de 10000 (respectivement 940) actionneurs piézoélectriques, de diamètre 4 mm, générant chacun une puissance de 15,90 W ou la configuration de 100 (respectivement 10) actionneurs piézoélectriques, de diamètre 40 mm, générant chacun une puissance de 1590 W. Dans la configuration avec les 1600 (150) actionneurs piézoélectriques, on obtient ainsi une intensité acoustique moyenne dans le plan focal de la zone focale de 4,0.1011 W.rrr2 (correspondant à 0,85 x 4,7.105 x 1 ,0.106 W.rrr2) (respectivement
4.1.1010 W.rrr2) et une intensité acoustique maximale dans la zone focale de 1 ,7.1012 W.rrr2 (correspondant à 3,7 x 4,7.105 x 1 ,0.106 W.rrr2) (respectivement
1.8.1011 W.rrr2 pour l’alumine alpha).
Ainsi, dans au moins une partie de la zone focale, il est possible d’y atteindre une intensité acoustique minimale à 4,7.1011 W.rrr2 (correspondant à 1 ,6.106 x 1 ,0.106 W.rrr2) (respectivement 4,9.1010 W.rrr2).
En chauffant l’échantillon 50, à une température minimale de 1375°C (respectivement 840°C), dans la partie de la zone focale où l’intensité acoustique atteint 4,7.1011 W.rrr2 (respectivement 4,9.1010 W.rrr2), on vient densifier la poudre de diamant (respectivement d’alumine alpha) par frittage.
Le premier procédé selon l’invention permet ainsi avantageusement de créer un frittage de la poudre céramique au niveau de la zone focale. Le procédé permet avantageusement de contrôler finement la localisation spatiale où les conditions sont réunies pour permettre le frittage de cette poudre céramique.
Dans un mode particulier de mise en œuvre du premier procédé, pendant l’émission des ondes acoustiques, la zone focale est déplacée dans l’échantillon.
Le déplacement de la zone focale dans l’échantillon permet avantageusement de fritter la poudre céramique dans différentes zones de l’échantillon jusqu’à l’obtention d’une dimension et d’une forme souhaitée pour la pièce céramique frittée finale. Dans un exemple de mise en œuvre, pour obtenir un déplacement relatif de la zone focale par rapport à l’échantillon, l’échantillon est déplacé par un organe de déplacement.
Dans un autre exemple de mise en œuvre, pour obtenir un déplacement relatif de la zone focale par rapport à l’échantillon, le système de focalisation est déplacé par un organe de déplacement.
Dans un autre exemple de mise en œuvre, pour obtenir un déplacement relatif de la zone focale par rapport à l’échantillon, les générateurs d’ondes acoustiques sont déplacés simultanément par un organe de déplacement.
Dans un autre exemple de mise en œuvre, pour obtenir un déplacement relatif de la zone focale par rapport à l’échantillon, les générateurs d’ondes acoustiques sont déphasés les uns par rapport aux autres avec des valeurs bien déterminées pour obtenir le déplacement de la zone focale dans l’échantillon.
Le deuxième procédé est à présent décrit. Pour rappel, le deuxième procédé est destiné à produire du diamant à partir d’un échantillon comportant de la poudre de graphite ou de carbone amorphe.
Pour rappel, le carbone amorphe comporte un mélange de liaisons atomiques de type sp2 et de liaisons atomiques de type sp3, ainsi qu’une éventuelle concentration en atomes d’hydrogènes.
Avantageusement, le carbone amorphe, sans atomes d’hydrogènes, présente généralement un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%.
Le deuxième procédé s’appuie avantageusement dans une première phase, sur le principe de compression dynamique, qui sera décrit ultérieurement, puis dans une seconde phase, sur le principe du frittage flash à haute pression.
Ainsi, le deuxième procédé permet, dans une première phase, la conversion de la poudre de graphite en poudre de diamant, puis dans une seconde phase, la densification de la poudre de diamant par frittage pour former un diamant.
Le deuxième procédé permet avantageusement d’obtenir un diamant dense, donc un diamant qui présente une résistance mécanique améliorée
Le deuxième procédé comporte le chauffage de l’échantillon 50, à une température prédéterminée.
L’échantillon est chauffé jusqu’à atteindre une température minimale prédéterminée. La température minimale est préférentiellement supérieure à la température de frittage de la poudre diamant, la température de frittage étant fonction de la pression qui va être appliquée sur l’échantillon 50.
Pour rappel, pour une poudre de diamant, la température de frittage est de 1400°C pour une pression appliquée de 5 GPa.
Le chauffage est réalisé de préférence par le système de chauffage du dispositif 100.
Dans un mode de mise en œuvre, le chauffage est réalisé par effet joule, en faisant parcourir, via des câbles électriques, un courant électrique dans le récipient 70.
Dans un autre mode de mise en œuvre, le chauffage est réalisé par effet inductif, en générant un courant induit dans le récipient 70, via la bobine d’induction.
Une fois que l’échantillon est à la température minimale prédéterminée, le deuxième procédé comporte la génération et l’émission d’une pluralité d’ondes acoustiques.
Il est clair de la description que l’étape de génération et l’émission d’une pluralité d’ondes acoustiques est réalisée après l’étape de chauffage. L’étape de génération et l’émission d’une pluralité d’ondes acoustiques n’est lancée que lorsque l’échantillon 50 est à la température minimale prédéterminée.
Lesdites ondes acoustiques sont émises simultanément pendant des durées prédéterminées, de préférence pendant une même durée.
A titre d’exemple illustratif, les ondes acoustiques sont émises chacune pendant une durée de l’ordre de l’heure.
La génération et l’émission des ondes acoustiques sont réalisées de préférence via les générateurs 10 d’ondes acoustiques, contrôlés par l’unité de gestion. La durée de l’émission de chacune des ondes acoustiques est contrôlée par l’unité de gestion. Chaque générateur 10 d’ondes acoustiques génère et émet une onde acoustique, de puissance prédéterminée. De préférence, les puissances générées par les générateurs 10 d’ondes acoustiques sont identiques.
Les ondes acoustiques génèrent ensemble en entrée du système de focalisation 20 une intensité acoustique le.
Comme pour le premier procédé, l’intensité acoustique le générée en entrée du système de focalisation est déterminée par le rapport entre la puissance injectée dans le système de focalisation 20 et la section d’entrée du système de focalisation 20. La puissance injectée dans le système de focalisation 20 est quant à elle déterminée par la multiplication du nombre de générateurs 10 d’ondes acoustiques utilisés par la puissance générée par un générateur 10 d’ondes acoustiques (en partant du principe que tous les générateurs d’ondes acoustiques génèrent la même puissance).
Les ondes acoustiques émises sont ensuite focalisées dans la zone focale située dans l’échantillon 50. Les ondes acoustiques sont émises en direction du système de focalisation 20, vont traverser ledit système de focalisation et vont toutes converger vers l’échantillon 50, dans la zone focale.
Comme pour le premier procédé, dans la zone focale, les ondes acoustiques focalisées vont générer une intensité acoustique correspondant, à un facteur près, à la multiplication de l’intensité acoustique le en entrée du système de focalisation par le facteur multiplicatif M dudit système de focalisation. Ce facteur multiplicatif M est un facteur multiplicatif de l’intensité acoustique le, facteur qui est induit par la focalisation.
Comme pour le premier procédé, dans la zone focale, L’intensité acoustique n’est pas uniforme dans la zone focale. Plus précisément, il est connu que la répartition spatiale d’une intensité acoustique dans un plan focal n’est pas uniforme mais se présente comme une tache d’Airy. Ainsi, dans le plan focal, l’intensité acoustique forme une tache centrale (circulaire) et une série d’anneaux concentriques autour de la tache centrale. La tache centrale concentre 85 % de la puissance acoustique. La puissance acoustique restante est répartie de manière décroissante dans la série d’anneaux concentriques. L'intensité acoustique moyenne dans la tache centrale est de 0,85 x M x le. L’intensité acoustique à 80% du maximum de la tache centrale est de 2,9 x M x le. L’intensité acoustique maximale dans la tache centrale est de 3,7 x M x le. Cette intensité acoustique maximale dans la tache centrale est ponctuelle. La répartition spatiale de l’intensité acoustique dans un plan perpendiculaire au plan focal n’est pas non plus uniforme. L’intensité acoustique diminue progressivement en s’éloignant du plan focal.
La zone focale, pour l’invention, correspond, dans le plan focal, à la tache centrale. Ainsi, vu que l’intensité maximale dans la zone focale est maximale dans le plan focal, l’intensité acoustique maximale dans la zone focale est de 3,7 x M x le.
Selon l’invention, pour une poudre de graphite, les ondes acoustiques focalisées doivent générer ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique au moins égale à 1.1012 W.rrr2, intensité correspondant à une intensité acoustique minimale suffisante pour réaliser un changement de phase du graphite en diamant. Selon l’invention, pour une poudre de carbone amorphe présentant un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40 % et 90%, les ondes acoustiques focalisées doivent générer ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique au moins égale à 2, 1.1012 W.rrr2, intensité correspondant à une intensité acoustique minimale suffisante pour réaliser un changement de phase du carbone amorphe en diamant.
Plus précisément, pour une poudre de carbone amorphe présentant un taux d’hybridation de type sp3 de 40%, les ondes acoustiques focalisées doivent générer ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique au moins égale à 1 ,4.1012 W.nr2, intensité correspondant à une intensité acoustique minimale suffisante pour réaliser un changement de phase dudit carbone amorphe en diamant. Pour une poudre de carbone amorphe présentant un taux d’hybridation de type sp3 de 90%, les ondes acoustiques focalisées doivent générer ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique au moins égale à 2,1 .1012 W.rrr2, intensité correspondant à une intensité acoustique minimale suffisante pour réaliser un changement de phase dudit carbone amorphe en diamant.
La description ci-après et les valeurs sont données dans l’exemple d’un échantillon en poudre de graphite. Pour éviter les redites de la description pour un échantillon en poudre de carbone amorphe, les valeurs associées à un échantillon en poudre de carbone amorphe seront données entre parenthèse.
Pour obtenir une intensité acoustique de 1.1012 W.rrr2 (respectivement comprise entre 1 ,4.1012 W.rrr2 et 2,1 .1012 W.rrr2 selon le taux d’hybridation de type sp3) au niveau d’au moins une partie de la zone focale, il est possible d’agir à la fois sur l’intensité acoustique le générée en entrée du système de focalisation et sur le facteur multiplicatif M du système de focalisation. Il est possible d’influer sur plusieurs paramètres dans le dispositif, tels que le nombre de générateurs d’ondes acoustiques, la puissance générée par ces générateurs d’ondes acoustiques, la section d’entrée du système de focalisation, le facteur multiplicatif M du système de focalisation, pour parvenir à obtenir une intensité acoustique de 1.1012 W.rrr2 (respectivement comprise entre 1 ,4.1012 W.rrr2 et 2, 1 ,1012 W.rrr2 selon le taux d’hybridation de type sp3) au niveau d’au moins une partie de la zone focale. Comme précisé précédemment, le deuxième procédé selon l’invention s’appuie avantageusement sur le principe de la compression dynamique pour convertir le graphite (respectivement le carbone amorphe) en diamant.
Pour parvenir au changement de phase du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant, par compression dynamique, il est connu de l’homme du métier que deux conditions doivent être réunies :
- être à des pressions suffisantes pour que le diamant soit plus stable que le graphite (respectivement le carbone amorphe),
- conférer suffisamment d’énergie cinétique aux atomes de carbone pour rompre la métastabilité du graphite (respectivement du carbone amorphe) induite par les liaisons doubles entre atomes de carbone.
En d’autres termes, une pression suffisante sur le graphite (respectivement le carbone amorphe) va rendre le diamant stable et une énergie cinétique suffisante va permettre la réalisation du changement de phase.
Pour une compression dynamique réalisée à partir des ondes de choc, comme c’est le cas pour l’art antérieur, la pression et l’énergie cinétique sont apportées par les chocs. Pour une onde de choc, la pression et l’énergie cinétique peuvent être exprimées comme fonction de l’intensité du choc. L’intensité du choc doit alors être suffisante pour que :
- la pression atteinte dépasse une pression minimale suffisante rendant le diamant plus stable que le graphite (respectivement le carbone amorphe), par exemple au moins 5 GPa ; 5 GPa correspondant à la pression de stabilité du diamant en compression statique ;
- l’énergie cinétique des atomes soit suffisante pour rompre la métastabilité dudit graphite (respectivement dudit carbone amorphe) pendant la durée de l’émission des ondes de choc.
A titre d’exemple, dans la publication de Erskine et al., il a été montré que, pour une compression dynamique réalisée à partir des ondes de choc, la conversion d’un échantillon de graphite en diamant se fait en quelques centaines de nanosecondes dès 6 GPa et qu’elle est totale en moins de 10 ns dès 20 GPa.
De la même manière, pour une compression avec des ondes acoustiques la pression et l’énergie cinétique peuvent être exprimées comme fonction de l’intensité acoustique.
L’intensité acoustique doit être suffisante pour que : - la pression atteinte dépasse une pression minimale suffisante rendant le diamant plus stable que le graphite (respectivement le carbone amorphe),
- l’énergie cinétique des atomes soit suffisante pour rompre la métastabilité dudit graphite (respectivement dudit carbone amorphe) pendant la durée de l’émission des ondes acoustiques.
Pour un matériau donné initialement à température et pression ambiantes, chaque valeur d’intensité acoustique donne un unique couple de valeurs (pression, énergie cinétique). Ces valeurs d’intensité acoustique ont été caractérisées de manière très détaillée par l’étude des courbes dites Hugoniot, dans le livre « LASL shock Hugoniot data » publié chez University of California Press, 1980.
L’effet de l’énergie cinétique sur la conversion du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant peut être modélisé par une loi d’Arrhenius « cinétique », similairement à l’effet de la température. Cette modélisation rend compte du rôle joué par l’énergie cinétique dans une compression dynamique, en remplacement de l’énergie thermique dans une compression statique, pour permettre la transition du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant. Par exemple, une compression dynamique dans du graphite (respectivement du carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%) avec une intensité acoustique de l’ordre de 2.1013 W.rrr 2 (respectivement de 2,7.1013 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 4,0.1013 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)) induit une pression de 25 GPa (respectivement de 34 GPa (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 49 GPa (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)) et une énergie cinétique de 0,16 eV, valeur équivalente à une énergie cinétique d’origine thermique induite par une température de l’ordre de 1500°C.
La figure 7 représente une courbe de modélisation illustrant la pression induite en fonction de l’intensité acoustique pour une poudre de graphite (courbe en ligne continue), une poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40% (courbe en tirets) et une poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90% (courbe en pointillés).
La figure 8 représente une courbe de modélisation illustrant l’énergie cinétique en fonction de l’intensité acoustique pour une poudre de graphite (courbe en ligne continue), une poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40% (courbe en tirets) et une poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90% (courbe en pointillés). Lorsque l’intensité acoustique est suffisante, la durée de l’émission de l’intensité acoustique conditionne ensuite la proportion du changement de phase, c'est à dire le pourcentage de conversion du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant. En d’autres termes, pour une intensité acoustique émise donnée, le pourcentage de conversion du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant est fonction de la durée de l’émission de cette intensité acoustique. Plus précisément, plus la durée de l’émission de l’intensité acoustique est importante, plus le pourcentage de conversion du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant augmente. De plus, pour un pourcentage de conversion du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant souhaité, plus l’intensité acoustique émise est importante, plus la durée de l’émission de l’intensité acoustique est réduite.
Partant de la loi d’Arrhenius, la vitesse de la réaction k peut être approximée par la relation suivante :
-Eg k = A. exp~Ec où
Ea est l’énergie d’activation de la conversion du graphite en diamant, c’est-à- dire l’énergie nécessaire à fournir aux atomes de carbone pour rompre la métastabilité du graphite, et
A est une constante dépendant essentiellement du mécanisme en jeu pour le changement de phase (diffusion thermique, martensitique... ).
Ea est de l’ordre de 0.2 eV, d’après la publication de Xie et al, 2017, Journal of the American Chemical Society, 139, 7, pages 2545-2548
A partir des résultats des expériences passées de Erskine et al., la constante A est de l’ordre de 2,3.109 s-1.
Ainsi, pour une compression dynamique d’une poudre de graphite (respectivement une poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%) avec une intensité acoustique de l’ordre de 1 ,1.1012 W.rrr2 (respectivement de 1 ,4.1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 2,1 .1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)), une pression de l’ordre de 5 GPa (correspondant à la pression de stabilité du diamant) (respectivement de 6,5 GPa (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 9,5 GPa (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)) et une énergie cinétique de l’ordre de 0,012 eV (valeur identique pour le carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%) peuvent être obtenues. Cette énergie cinétique induit une vitesse de changement de phase k de l’ordre de 410 s_1 (valeur identique pour le carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%).
Le pourcentage de changement de phase s’exprime en
1 — exp~kt où t est le temps.
Ainsi, on a donc une conversion de 95% en 3/k secondes, une conversion de 99% en 5/k secondes. Il est ainsi possible de parvenir à une conversion de 99% de la zone sous compression dynamique en un temps de l’ordre de 0,01 seconde (valeur identique pour le carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%).
A titre illustratif, la figure 9 représente un graphique illustrant la durée nécessaire de l’émission d’une onde acoustique en fonction de l’intensité de ladite onde acoustique pour recréer les conditions suffisantes pour parvenir à un changement de phase de 99% d’un échantillon de graphite en diamant (courbe en ligne continue), d’un échantillon de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% en diamant (courbe en tirets) et d’un échantillon de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% en diamant(courbe en pointillés).
Ainsi comme le montre la figure 9, pour une poudre de graphite, une intensité acoustique, de l’ordre de 1 ,4.1013 W.nr2 permettant d’atteindre une pression de 20 GPa, pression supérieure à la pression minimale suffisante pour que le diamant soit stable, confère aux atomes de carbone une énergie cinétique telle qu’au moins 99% de l’échantillon en graphite sera converti en diamant en une durée de l’ordre de 10 ns. Une intensité acoustique de l’ordre de 1 ,6.1012 W.rrr2, permettant, quant à elle, d’atteindre une pression de 6 GPa, pression supérieure à la pression minimale suffisante pour que le diamant soit stable, confère aux atomes de carbone une énergie cinétique de 0,017 eV et telle qu’au moins 99% de l’échantillon en graphite sera converti en diamant en une durée de l’ordre de 1 ms. Par contre, une intensité acoustique inférieure à 5.1011 W.rrr2 induira un changement de phase en une durée supérieure à la centaine d’heures à condition que la pression soit toujours suffisante pour être dans le régime de stabilité du diamant.
En revenant au deuxième procédé selon l’invention, les ondes acoustiques focalisées vont ainsi générer au niveau de la zone focale, une intensité acoustique induisant une pression acoustique et une énergie cinétique, comme décrit précédemment.
Pour que le changement de phase du graphite (respectivement du carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%) en diamant ait lieu dans la zone focale, il est nécessaire, qu’au niveau d’au moins une partie de la zone focale, l’intensité acoustique générée soit au moins égale à l’intensité acoustique minimale suffisante, soit 1.1012 W.rrr2 (respectivement de 1 ,4.1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 2,1 .1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)).
Comme décrit précédemment, lorsque l’intensité acoustique obtenue au niveau de la zone focale est suffisante pour réaliser un changement de phase du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant, la durée de l’émission de ladite intensité acoustique va conditionner la proportion du changement de phase du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant dans la zone focale. En d’autres termes, pour une intensité acoustique donnée au niveau de la zone focale, le pourcentage de conversion du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant, dans la zone focale, est fonction de la durée de l’émission des ondes acoustiques. Plus précisément, pour une intensité acoustique donnée, le pourcentage de conversion du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant augmente avec la durée de l’émission des ondes acoustiques.
Le deuxième procédé, dans une deuxième phase, une fois la conversion du graphite (respectivement du carbone amorphe) en poudre de diamant ou en diamant très peu dense, en combinant la pression à la température de chauffage de l’échantillon 50, on a également avantageusement les conditions réunies pour réaliser le frittage afin de densifier le diamant. Le deuxième procédé selon l’invention permet, à partir d’une intensité acoustique de 1.1012 W.nr2 (respectivement de 1 ,4.1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 2, 1.1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)), et une température de chauffage minimale de 1300°C (respectivement de 1250°C (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 1100°C (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)), d’obtenir du diamant à partir de poudre de graphite (respectivement du carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%), par conversion du graphite (respectivement du carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%) en diamant et frittage.
Pour éviter que le diamant ne graphitise, la température de chauffage minimale ne doit pas dépasser 1700°C, sous atmosphère inerte ou sous vide.
Exemple 2 :
Une simulation a été réalisée pour reproduire le dispositif 100 à petite échelle et déterminer un volume souhaité de la zone focale.
Dans cette simulation, le système de focalisation 20 est une lentille sphérique plan- concave. La lentille sphérique plan-concave présente les dimensions suivantes : un diamètre de la première face 21 de 7,5 mm, une épaisseur en son centre de 2 mm, et un rayon de courbure de la seconde face 22 de 4 mm. La lentille sphérique plan- concave est en aluminium.
190 actionneurs piézoélectriques, de diamètre 0,5 mm chacun, sont répartis uniformément en vis-à-vis de la première face 21 de la lentille sphérique plan- concave. Les 190 actionneurs piézoélectriques sont collés contre la première face 21 de la lentille sphérique plan-concave. Chaque actionneur piézoélectrique émet une onde acoustique, de fréquence 20 MHz. Chaque actionneur piézoélectrique génère une puissance de 1 W.
Les valeurs qui suivent correspondent à un échantillon en poudre de graphite. A titre comparatif, les valeurs données entre parenthèse correspondent à un échantillon en poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%.
La simulation donne une zone focale dont le volume est assimilable à un ellipsoïde, de section transversale circulaire, de demi grand axe 0,5 mm (respectivement de 0,66 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 0.87 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)) et de demi petit axe 0,18 mm (respectivement de 0,24 mm (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 0,32 mm (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)).
De cette simulation, on peut ainsi en déduire le facteur multiplicatif M de la lentille sphérique plan-concave. Dans le cas présent, le facteur multiplicatif M est le rapport de section entre la section d’entrée de la lentille sphérique plan-concave et la section transversale de la zone focale dans le plan focal. Le facteur multiplicatif M est ainsi de 4, 3.102 (respectivement de 2,4.102 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 1 ,3.102 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)).
Il est connu qu’une augmentation des dimensions de la lentille sphérique plan- concave n’impacte pas les dimensions de la zone focale à condition de conserver la même ouverture angulaire pour la lentille sphérique plan-concave. Pour rappel, l’ouverture angulaire est proportionnelle au rapport entre le diamètre de la première face de la lentille sphérique plan-concave et le rayon de courbure de la seconde face.
Ainsi, une lentille sphérique plan-concave avec une première face de diamètre 450 mm et une seconde face avec un rayon de courbure de 240 mm permet de conserver les dimensions obtenues dans la simulation pour la zone focale. Il est connu que l’épaisseur de la lentille n’impacte pas l’ouverture angulaire. L’épaisseur de la lentille est fixée à 1 cm pour minimiser avantageusement la distance de parcours des ondes acoustiques tout en préservant la solidité de la lentille.
Avec de telles dimensions, le facteur multiplicatif M de la lentille sphérique plan- concave est de 1 ,6.106 (respectivement de 8, 9.105 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 4,7.105 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)).
Pour couvrir la première face de cette lentille sphérique plan-concave, on peut utiliser par exemple 1600 actionneurs piézoélectriques de diamètre 10 mm ou encore 10000 actionneurs piézoélectriques de diamètre 4 mm ou encore 100 actionneurs piézoélectriques de diamètre 40 mm.
Si on choisit l’exemple de 1600 actionneurs piézoélectriques de diamètre 10 mm et que chacun génère une onde acoustique de puissance 100 W (respectivement 200 W), les ondes acoustiques génèrent ensemble en entrée de la lentille une intensité acoustique le de 1 ,0.106 W.nr2 (respectivement 2,0.106 W.rrr2).
Pour rappel, l’intensité acoustique le correspond au rapport entre la puissance injectée dans la lentille sphérique plan-concave et la section de la première face de la lentille sphérique plan-concave. La puissance injectée dans la lentille correspond quant à elle à la multiplication du nombre d’actionneurs piézoélectriques utilisés par la puissance générée par chaque actionneur piézoélectrique.
Il est à noter que l’on obtiendrait la même intensité acoustique en entrée de la lentille sphérique plan-concave avec la configuration de 10000 actionneurs piézoélectriques (de diamètre 4 mm) générant chacun une puissance de 15,90 W ou la configuration de 100 actionneurs piézoélectriques (de diamètre 40 mm) générant chacun une puissance de 1590 W.
Dans la configuration avec les 1600 actionneurs piézoélectriques, on obtient ainsi une intensité acoustique moyenne dans le plan focal de la zone focale de 1 ,3.1012 W.rrr2 (0,85 x 1 ,6.106 x 1 ,0.106 W.rrr2) (respectivement de 1 ,5.1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 0,8.1012 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)) et une intensité acoustique maximale dans la zone focale de 5,4.1012 W.rrr2 (3,7 x 1 ,6.106 x 1 ,0.106 W.rrr2) (respectivement de 6,6.1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à
3.6.1012 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)).
Ainsi, dans une partie de la zone focale, il est possible d’y atteindre une intensité acoustique supérieure à 1012 W.rrr2 (respectivement de 1 ,4.1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à
2.1 .1012 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)), intensité acoustique qui est suffisante pour produire de la poudre de diamant à partir d’une poudre de graphite (respectivement une poudre de carbone amorphe un taux d’hybridation de type sp3 compris entre 40% et 90%).
En chauffant parallèlement l’échantillon 50, à une température minimale de 1300°C (respectivement de 1250° C (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 1100°C (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)), dans la partie de la zone focale où l’intensité acoustique atteint 1.1012 W.nr2 (respectivement de 1 ,4.1012 W.rrr2 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 40%) à 2,1 ,1012 (pour la poudre de carbone amorphe avec un taux d’hybridation de type sp3 de 90%)), on vient ainsi densifier, par frittage, la poudre de diamant obtenue.
Le deuxième procédé selon l’invention permet ainsi avantageusement de créer un germe de diamant, ou d’agrandir un germe préalablement présent dans l’échantillon, au niveau de la zone focale.
Le deuxième procédé permet avantageusement de contrôler finement la localisation spatiale où les conditions sont réunies pour permettre la formation du diamant. Le deuxième procédé selon l’invention permet également avantageusement de produire du diamant, sans détruire l’échantillon, contrairement aux technologies d’ondes de choc.
Le deuxième procédé selon l’invention permet aussi de contrôler la durée de l’émission des ondes acoustiques.
Dans un mode particulier de mise en œuvre du deuxième procédé, pendant l’émission des ondes acoustiques, la zone focale est déplacée dans l’échantillon.
Ce mode particulier du deuxième procédé est mis en œuvre lorsque les ondes acoustiques sont émises pendant une durée supérieure à la durée d’émission nécessaire pour convertir un pourcentage prédéfini souhaité du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant dans la zone focale.
Le déplacement de la zone focale dans l’échantillon permet avantageusement de faire croitre le germe de diamant jusqu’à l’obtention d’une dimension et d’une forme souhaitée pour le diamant. Le sens du déplacement de la zone focale dans l’échantillon permet de diriger le sens de croissance du diamant pour obtenir la forme souhaitée.
La vitesse de déplacement de la zone focale dans l’échantillon est avantageusement liée à la durée de l’émission des ondes acoustiques nécessaire pour convertir un pourcentage prédéfini souhaité du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant dans la zone focale. Donc la vitesse de déplacement de la zone focale dans l’échantillon est fonction de l’intensité acoustique de l’onde acoustique dans la zone focale, car l’intensité acoustique détermine la durée de l’émission nécessaire pour permettre la conversion du pourcentage prédéfini souhaité du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant.
De préférence, vu que la durée de l’émission nécessaire pour permettre la conversion de tout ou partie du graphite (respectivement du carbone amorphe) en diamant, est très courte, généralement inférieure à la seconde, le déplacement de la zone focale peut être réalisé de manière continue, en adaptant la vitesse de déplacement de la zone focale.
Dans un exemple de mise en œuvre, pour obtenir un déplacement relatif de la zone focale par rapport à l’échantillon, l’échantillon est déplacé par un organe de déplacement.
Dans un autre exemple de mise en œuvre, pour obtenir un déplacement relatif de la zone focale par rapport à l’échantillon, le système de focalisation est déplacé par un organe de déplacement.
Dans un autre exemple de mise en œuvre, pour obtenir un déplacement relatif de la zone focale par rapport à l’échantillon, les générateurs d’ondes acoustiques sont déplacés simultanément par un organe de déplacement.
Dans un autre exemple de mise en œuvre, pour obtenir un déplacement relatif de la zone focale par rapport à l’échantillon, les générateurs d’ondes acoustiques sont déphasés les uns par rapport aux autres avec des valeurs bien déterminées pour obtenir le déplacement de la zone focale dans l’échantillon.
La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu’elle s’était fixés. En particulier, elle fournit deux procédés pour produire du diamant qui présente l’avantage de ne pas détruire l’échantillon, et de maitriser finement la direction de croissance du diamant.

Claims

Revendications
Revendication 1 . Procédé pour produire une pièce céramique à partir d’un échantillon (50) de poudre céramique, comportant :
- le chauffage, par un système de chauffage, de l’échantillon (50) de poudre céramique à une température minimale prédéterminée, puis
- la génération et l’émission, par une pluralité de générateurs d’ondes acoustiques, d’une pluralité d’ondes acoustiques, vers un système de focalisation (20), chaque générateur d’ondes acoustiques étant configuré pour émettre une onde acoustique de fréquence f comprise entre 1 MHz et 100 MHz, lesdites ondes acoustiques générant ensemble en entrée du système de focalisation une intensité acoustique Ie,
- la focalisation desdites ondes acoustiques, par le système de focalisation (20), en une zone focale dans l’échantillon (50) de poudre céramique, le système de focalisation définissant un facteur multiplicatif M, lesdites ondes acoustiques focalisées générant ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique minimale d’au moins M x le, suffisante pour, combinée avec la température minimale de chauffage appliquée à l’échantillon (50) de poudre céramique, fritter la poudre céramique dans ladite partie de la zone focale.
Revendication 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la température minimale de chauffage de l’échantillon (50) de poudre céramique est supérieure à une température de frittage de la poudre céramique.
Revendication 3. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la poudre de céramique est choisie parmi : une poudre de diamant, une poudre de carbure de tungstène, une poudre de nitrure de silicium, une poudre de zircone totalement stabilisée, une poudre d’alumine alpha, une poudre d’alumine gamma, et une poudre d’oxyde de titane.
Revendication 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes comportant, pendant l’émission des ondes acoustiques, le déplacement de la zone focale dans l’échantillon (50).
Revendication 5. Dispositif (100) pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications précédentes comportant : - un système de chauffage de l’échantillon (50),
- une pluralité de générateurs (10) d’ondes acoustiques, configurés pour générer chacun une onde acoustique de fréquence f comprise entre 1 MHz et 100 MHz, la pluralité de générateurs (10) d’ondes acoustiques et le système de chauffage de l’échantillon (50) étant des éléments distincts dans le dispositif (100),
- un système de focalisation (20) des ondes acoustiques en une zone focale dans l’échantillon (50), le système de focalisation définissant le facteur multiplicatif M.
Revendication s. Dispositif (100) selon la revendication 4 dans lequel chaque générateur (10) d’ondes acoustiques est un actionneur piézoélectrique.
Revendication 7. Dispositif (100) selon l’une des revendications 4 ou 5 comportant un organe de déplacement de la zone focale dans l’échantillon (50).
Revendication 8. Dispositif (100) selon la revendication précédente dans lequel l’organe de déplacement de la zone focale dans l’échantillon (50) est un organe de déplacement du système de focalisation des ondes acoustiques et/ou un organe de déplacement de l’échantillon et/ou un organe de déplacement des générateurs d’ondes acoustiques et/ou un organe de déphasage des générateurs d’ondes acoustiques.
Revendication 9. Procédé pour produire du diamant à partir d’un échantillon (50) comportant une poudre en graphite, comportant :
- le chauffage, par un système de chauffage, de l’échantillon (50) de poudre en graphite à une température minimale prédéterminée, puis
- la génération et l’émission, par une pluralité de générateurs d’ondes acoustiques, d’une pluralité d’ondes acoustiques, vers un système de focalisation (20), chaque générateur d’ondes acoustiques étant configuré pour émettre une onde acoustique de fréquence f comprise entre 1 MHz et 100 MHz, lesdites ondes acoustiques générant ensemble en entrée du système de focalisation une intensité acoustique /e, - la focalisation desdites ondes acoustiques, par le système de focalisation (20), en une zone focale dans l’échantillon (50) de poudre en graphite, le système de focalisation définissant un facteur multiplicatif M, lesdites ondes acoustiques focalisées générant ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique au moins égale à M x le = 1 .1012 W.nr2 correspondant à une intensité acoustique minimale suffisante pour : o dans une première phase, réaliser un changement de phase de la poudre de graphite en poudre de diamant, puis o dans une deuxième phase, combinée avec la température minimale de chauffage appliquée à l’échantillon (50), fritter la poudre de diamant obtenue.
Revendication 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel la température minimale de chauffage de l’échantillon (50) comportant une poudre en graphite est supérieure à une température de frittage de la poudre en graphite.
Revendication 11 . Procédé pour produire du diamant à partir d’un échantillon (50) comportant une poudre de carbone amorphe, comportant :
- le chauffage, par un système de chauffage, de l’échantillon (50) de poudre de carbone amorphe à une température minimale prédéterminée, puis
- la génération et l’émission, par une pluralité de générateurs d’ondes acoustiques, d’une pluralité d’ondes acoustiques, vers un système de focalisation (20), chaque générateur d’ondes acoustiques étant configuré pour émettre une onde acoustique de fréquence f comprise entre 1 MHz et 100 MHz, lesdites ondes acoustiques générant ensemble en entrée du système de focalisation une intensité acoustique Ie,
- la focalisation desdites ondes acoustiques, par le système de focalisation (20), en une zone focale dans l’échantillon (50) de poudre de carbone amorphe, le système de focalisation définissant un facteur multiplicatif M, lesdites ondes acoustiques focalisées générant ensemble, au niveau d’au moins une partie de la zone focale, une intensité acoustique au moins égale à M x le = 2,1 ,1012 W.rrr2 correspondant à une intensité acoustique minimale suffisante pour : o dans une première phase, réaliser un changement de phase de la poudre de carbone amorphe en poudre de diamant, puis o dans une deuxième phase, combinée avec la température minimale de chauffage appliquée à l’échantillon (50), fritter la poudre de diamant obtenue.
Revendication 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel la température minimale de chauffage de l’échantillon (50) comportant une poudre de carbone amorphe est supérieure à une température de frittage de la poudre de carbone amorphe.
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