FR2556711A1 - Transparent articles made of aluminium oxynitride and process for their manufacture - Google Patents
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Abstract
Description
Pièces transparentes en oxynitrure d'aluminium et leur procédé de fabrication.Transparent parts in aluminum oxynitride and their manufacturing process.
La présente invention a pour objet des pièces transparentes en oxynitrure d'aluminium et leur procédé de fabrication. Ces pièces sont utilisables notamment dans les domaines où il est nécessaire d'avoir un haut pouvoir de transmission dans le spectre visible et le spectre infrarouge. The present invention relates to transparent parts made of aluminum oxynitride and their manufacturing process. These parts can be used in particular in fields where it is necessary to have a high transmission power in the visible spectrum and the infrared spectrum.
Dans certaines applications militaires et industrielles, il est nécessaire de réaliser des pieces transparentes ayant un haut pouvoir de transmission et de formation d'images dans le spectre visible et le spectre infrarouge, par exemple des dômes transparents aux infrarouges destinés aux missiles, ou des enveloppes transparentes pour différents types de lampes à vapeur. Cependant, pour ces applications, il est nécessaire que les pièces présentent simultanément de bonnes propriétés mécaniques. De ce fait, on a orienté les recherches vers des matières céramiques susceptibles de présenter simultanément de bonnes propriétés mécaniques et une bonne transparence, par exemple sur l'oxynitrure d'aluminium. In certain military and industrial applications, it is necessary to produce transparent parts having a high power of transmission and formation of images in the visible spectrum and the infrared spectrum, for example transparent infrared domes intended for missiles, or envelopes. transparent for different types of steam lamps. However, for these applications, it is necessary that the parts simultaneously exhibit good mechanical properties. Therefore, research has been directed towards ceramic materials capable of simultaneously exhibiting good mechanical properties and good transparency, for example on aluminum oxynitride.
En effet, l'oxynitrure dXaluminium est susceptible de répondre à ces deux impératifs. Il correspond à une phase cubique du diagramme pseudobinaire
A1203-AlN signalé en 1964 par A.N. Lejus. Le caractère fortement lacunaire de ce matériau est de nature à favoriser son frittage. Par ailleurs, l'oxydation d'une poudre fine de ce matériau se produit dès POOOOC et présente la particularité de conduire à la formation d'un produit intermédiaire ', la phase ultime étant l'alumine a.La phase Y s'étant révélée pouvoir être transparente, on a envisagé de développer la fabrication de produits de ce type, mais les procédés connus actuellement pour fabriquer des pièces en oxy nitrure d'aluminium transparent ne permettent pas l'obtention d'une transparence suffisante dans des conditions acceptables économiquement et énergétiquement.In fact, aluminum oxynitride is capable of meeting these two requirements. It corresponds to a cubic phase of the pseudobinary diagram
A1203-AlN reported in 1964 by AN Lejus. The strongly lacunar nature of this material is such as to promote its sintering. Moreover, the oxidation of a fine powder of this material occurs from POOOOC and has the particularity of leading to the formation of an intermediate product ', the final phase being alumina a. to be transparent, it has been envisaged to develop the manufacture of products of this type, but the methods currently known for manufacturing parts in transparent aluminum oxy nitride do not make it possible to obtain sufficient transparency under economically acceptable conditions and energetically.
En effet, le brevet américain nO 4 241 000 (J.W.Mc Cauley et al) décrit un procédé de fabrication d'oxynitrure d'aluminium polycristallin cubique, qui consiste à comprimer isostatiquement un mélange de poudres à grains fins de A1203 et A1N contenant 30 à 40% en mol de A1N, à prétraiter thermiquement le mélange-à une température de 12000C pendant 24 h, puis à le traiter à une température supérieure à 18000C pour le fritter et le transformer simultanément en oxynitrure d'aluminium transparent. Ce procédé qui exige des températures élevées et réalise simultanément la synthèse et la densification de l'oxynitrure d'aluminium, ne permet pas d'obtenir des pièces suffisamment transparentes pour les applications mentionnées cidessus. Indeed, US Pat. No. 4,241,000 (JWMc Cauley et al) describes a process for manufacturing cubic polycrystalline aluminum oxynitride, which consists in isostatically compressing a mixture of fine-grained powders of A1203 and A1N containing 30 to 40 mol% of A1N, to heat pretreat the mixture at a temperature of 12000C for 24 h, then to treat it at a temperature above 18000C to sinter it and simultaneously transform it into transparent aluminum oxynitride. This process, which requires high temperatures and simultaneously carries out the synthesis and densification of aluminum oxynitride, does not make it possible to obtain sufficiently transparent parts for the applications mentioned above.
Les brevets français nO 2 512 003 et 2 512 012 (RAYTSEON Co) décrivent des procédés de préparation d'oxynitrure d'aluminium transparent qui réalisent en deux étapes indépendantes la synthèse de l'oxynitrure d'aluminium et sa densification. La synthèse est obtenue, soit par réaction à l'état solide à une température de 700 à 17500C d'un mélange de A1N et
A1203 contenant 30 à 37% en mol de AlN, soit par carboréduction de l'alumine en présence d'azote à 1600 C. French patents nos. 2,512,003 and 2,512,012 (RAYTSEON Co) describe processes for the preparation of transparent aluminum oxynitride which carry out in two independent steps the synthesis of aluminum oxynitride and its densification. The synthesis is obtained either by reaction in the solid state at a temperature of 700 to 17500C of a mixture of A1N and
A1203 containing 30 to 37 mol% of AlN, or by carboreduction of alumina in the presence of nitrogen at 1600 C.
On réalise ensuite le frittage à des températures supérieures à 19000C, pendant au moins 20 h, après avoir ajouté à la poudre des agents dopants tels que le bore, l'yttrium ou le lanthane, pour former une phase liquide lors du frittage.The sintering is then carried out at temperatures above 19000C, for at least 20 h, after adding doping agents such as boron, yttrium or lanthanum to the powder, to form a liquid phase during sintering.
Cependant, dans ce dernier cas, des impuretés demeurent aux joints de grains et altèrent notablement les propriétés mécaniques et thermiques du ma tériau. Par ailleurs, elles exercent une influence néw faste sur la transparence de celui-ci. However, in the latter case, impurities remain at the grain boundaries and significantly alter the mechanical and thermal properties of the material. Moreover, they exert a new auspicious influence on its transparency.
La présente invention a précisément pour objet une pièce en oxynitrure d'aluminium transparent et un procédé de fabrication d'une telle pièce, qui pallie les inconvénients des procédés rappelés ci-dessus. The present invention specifically relates to a part made of transparent aluminum oxynitride and a method of manufacturing such a part, which overcomes the drawbacks of the methods mentioned above.
La pièce en oxynitrure d'aluminium transparent de l'invention se caractérise en ce que l'oxynitrure d'aluminium correspond à la formulation - 25 à 29% en mol de A1N, et - 71 à 75% en mol de A12O3. The transparent aluminum oxynitride part of the invention is characterized in that the aluminum oxynitride corresponds to the formulation - 25 to 29 mol% of A1N, and - 71 to 75 mol% of A12O3.
Avantageusement, la densité de cette pièce est dlau moins 99% de la densité théorique. Advantageously, the density of this part is at least 99% of the theoretical density.
De préférence, la pièce présente une transmission directe d'au moins 60% dans le domaine de longueurs ondes allant de 0,3 à Stem,
Le procédé selon l'invention de fabrication d'une pièce en oxynitrure d'aluminium transparent comprend les étapes suivantes : a) - préparer une poudre dloxynitrure d'aluminium à
partir dlun mélange d'une poudre de nitrure
d'aluminium AIN et d'une poudre d'alumine A1203
comprenant 25 à 29% en mol de A1N et 71 à 75% en
mol de A1203 b) - soumettre la poudre d'oxynitrure d'aluminium
ainsi obtenue à un frittage sous charge effectué
à une température de 1650 à 18500C sous une pres
sion supérieure à 15 MPa t et c) - soumettre le produit fritté ainsi obtenu à un
traitement thermique de recuit effectué à une
température de 1930 à 19700C.Preferably, the part has a direct transmission of at least 60% in the wavelength range ranging from 0.3 to Stem,
The process according to the invention for manufacturing a transparent aluminum oxynitride part comprises the following steps: a) - preparing an aluminum oxynitride powder to
from a mixture of a nitride powder
AIN aluminum and an A1203 alumina powder
comprising 25 to 29 mol% of A1N and 71 to 75% in
mol of A1203 b) - submit aluminum oxynitride powder
thus obtained with sintering under load carried out
at a temperature of 1650 to 18500C under a pres
pressure greater than 15 MPa t and c) - subjecting the sintered product thus obtained to
annealing heat treatment carried out at a
temperature from 1930 to 19700C.
De préférence, la poudre d'oxynitrure d'aluminium a une granulométrie inférieure à 20 çm. Preferably, the aluminum oxynitride powder has a particle size of less than 20 µm.
La réalisation, selon le procédé de l'invention, d'un frittage sous charge de la poudre permet d'obtenir une densification suffisante en évitant l'apparition d'une porosité intragranulaire et le grossissement des grains. Par ailleurs, ce mode de frittage permet de garantir la pureté du produit. Carrying out, according to the process of the invention, of sintering under load of the powder makes it possible to obtain sufficient densification while avoiding the appearance of an intragranular porosity and the enlargement of the grains. Moreover, this method of sintering makes it possible to guarantee the purity of the product.
En revanche, lorsque. l'on réalise simultanément la synthèse et- la densification comme dans le brevet américain nO 4 241 000, on doit partir de poudres fines réactives et il est difficile de contrôler la composition et la pureté du produit obtenu car, en atmosphère de vapeur d'eau, le nitrure d'aluminium peut être converti en alumine selon le schéma réactionnel suivant : 2A1N + 3H2O
A1203 + 2 NH3
Par ailleurs, lorsque l'on réalise le frittage dans ces conditions, le produit obtenu comprend un très grand nombre de joints de grains qui sont néfastes pour l'obtention d'une bonne transparence.A1203 + 2 NH3
Moreover, when the sintering is carried out under these conditions, the product obtained comprises a very large number of grain boundaries which are detrimental to obtaining good transparency.
Lorsque l'on réalise le frittage avec adjonction d'impuretés telles que Y203, La203 ou BN comme dans les brevets français nO 2 512 003 et 2 512 012, on forme une phase liquide aux joints de grains qui accélère le frittage et améliore la densification ; cependant, ces impuretés demeurent en général aux joints de grains et altèrent les propriétés mécaniques -et thermiques du matériau. When sintering is carried out with the addition of impurities such as Y203, La203 or BN as in French patents nos. 2,512,003 and 2,512,012, a liquid phase is formed at the grain boundaries which accelerates sintering and improves densification. ; however, these impurities generally remain at the grain boundaries and alter the mechanical and thermal properties of the material.
La réalisation selon l'invention d'un traitement thermique de recuit à une température de 1930 à 19700C conduit ensuite à un grossissement des grains et permet d'obtenir la transparence voulue. En effet, pour obtenir un matériau transparent, il est nécessaire qu'un rayon lumineux qui traverse le produit massif ne rencontre pas de zones de caractéristiques différentes comme c'est le cas dans un verre, un monocris tal ou un polycristal dont les grains sont tous orientés de la meme façon ou dont la structure cristallo- graphique assure l'indépendance des propriétés optiques de l'orientation des grains. The realization according to the invention of an annealing heat treatment at a temperature of 1930 to 19700C then leads to an enlargement of the grains and makes it possible to obtain the desired transparency. In fact, to obtain a transparent material, it is necessary that a light ray which passes through the solid product does not encounter zones of different characteristics as is the case in a glass, a monocris tal or a polycrystal whose grains are all oriented in the same way or in which the crystallographic structure ensures the independence of the optical properties of the orientation of the grains.
Dans le cas de l'oxynitrure d'aluminium, on se trouve en présence d'une structure cristallographique qui assure l'indépendance des propriétés optiques de l'orientation des grains, mais il est nécessaire de réduire au maximum le nombre des joints de grains où se ségrèguent les impuretés et les défauts cristallographiques qui absorbent la lumière et où se localise-la porosité intergranulaire qui est une source de diffraction. In the case of aluminum oxynitride, we are in the presence of a crystallographic structure which ensures the independence of the optical properties of the orientation of the grains, but it is necessary to reduce the number of grain boundaries as much as possible. where the impurities and crystallographic defects which absorb light are segregated and where the intergranular porosity is located, which is a source of diffraction.
Selon l'invention, on atteint ce résultat en réalisant le traitement thermique de recuit pour faire grossir les grains, mais dans des conditions telles que ce grosssissement ne soit pas exagéré, que la cohésion des grains ne se détériore pas et que la porosité ne soit pas trop augmentée. According to the invention, this result is achieved by carrying out the annealing heat treatment to make the grains grow, but under conditions such that this magnification is not exaggerated, that the cohesion of the grains does not deteriorate and that the porosity is not not too increased.
Selon une caractéristique avantageuse du procédé de l'invention, on prépare la poudre d 'oxyni- trure d'aluminium en soumettant le mélange de poudres de nitrure d'aluminium et d'alumine à un traitement thermique réalisé sous atmosphère d'azote à une température de 1600 à 19g00C et en broyant l'oxynitrure d'aluminium ainsi formé pour obtenir une poudre ayant la granulométrie voulue. According to an advantageous characteristic of the process of the invention, the aluminum oxynitride powder is prepared by subjecting the mixture of aluminum nitride and alumina powders to a heat treatment carried out under a nitrogen atmosphere at a temperature. temperature of 1600 to 19g00C and grinding the aluminum oxynitride thus formed to obtain a powder having the desired particle size.
Ce mode de préparation de la poudre dsoxyni- trure d'aluminium permet d'obtenir une poudre de bonne pureté, et ceci résulte en particulier de la composi- tion du mélange de départ qui comprend 25 à 29% en mol de A1N et 71 à 75% en mol de A1zO3 > De plus, cette composition permet d'obtenir plus rapidement l'oxynitrure aluminium transparent. This method of preparing the aluminum oxynitride powder makes it possible to obtain a powder of good purity, and this results in particular from the composition of the starting mixture which comprises 25 to 29 mol% of AlN and 71 to 75 mol% of A1zO3> In addition, this composition makes it possible to obtain transparent aluminum oxynitride more quickly.
On peut noter que la composition du mélange de l'invention est moins riche en nitrure d'aluminium que les compositions utilisées dans l'art antérieur. It may be noted that the composition of the mixture of the invention is less rich in aluminum nitride than the compositions used in the prior art.
En effet, dans le brevet américain nO 4 241 000 et dans le brevet français nO 2 512 012 où I'on forme l'oxynitrure d'aluminium par réaction de nitrure d'aluminium et d'oxyde d'aluminium, on utilise des mélanges de départ comprenant plus de 30% en mol de nitrure d'aluminium.In fact, in American patent No. 4,241,000 and in French patent No. 2,512,012 where aluminum oxynitride is formed by reaction of aluminum nitride and aluminum oxide, mixtures are used. starting comprising more than 30 mol% of aluminum nitride.
En revanche, dans l'invention, on utilise un mélange comprenant moins de 30% de nitrure d'aluminium. En effet, il est plus intéressant de se placer dans le domaine pauvre en nitrure d'aluminium car un excès de nitrure d'aluminium qui est de couleur grise, risque de nuire à la transparence du produit obtenu. On the other hand, in the invention, a mixture comprising less than 30% of aluminum nitride is used. In fact, it is more advantageous to place oneself in the range poor in aluminum nitride because an excess of aluminum nitride, which is gray in color, risks harming the transparency of the product obtained.
Par ailleurs, on a découvert que la réaction est plus rapide lorsqu'on utilise un mélange plus pauvre en nitrure d'aluminium, en particulier un mélange comprenant 27% en mol de nitrure d'aluminium.Furthermore, it has been found that the reaction is faster when using a mixture leaner in aluminum nitride, in particular a mixture comprising 27 mol% of aluminum nitride.
Pour la préparation du mélange, on utilise des poudres de nitrure d'aluminium et d'alumine a ayant un bon degré de pureté et ayant des granulométries inférieures à 20 um, par exemple une granulométrie inférieure à 10 m. For the preparation of the mixture, use is made of powders of aluminum nitride and α-alumina having a good degree of purity and having particle sizes of less than 20 μm, for example a particle size of less than 10 μm.
Lorsqu'on part d'une poudre de nitrure d'aluminium ayant une granulométrie supérieure, on peut broyer la poudre et séparer de celle-ci les grains ayant une granulométrie inférieure à 10 vm par sédimentation ou par tamisage. Pour obtenir un mélange homogène des poudres de nitrure d'aluminium et d'alumine, on réalise généralement une homogénéisation à sec effectuée dans un mélangeur pendant environ 12 h car la poudre de nitrure d'aluminium se colmate très facilement. On pourrait également réaliser cette homogénéisation par voie humide. When starting from an aluminum nitride powder having a larger particle size, the powder can be crushed and the grains having a particle size of less than 10 µm can be separated therefrom by sedimentation or by sieving. To obtain a homogeneous mixture of the aluminum nitride and alumina powders, a dry homogenization is generally carried out in a mixer for about 12 h because the aluminum nitride powder clogs very easily. This homogenization could also be carried out by the wet process.
Selon l'invention, le traitement thermique du mélange de poudres est réalisé ensuite à une tempé rature de 1600 à 19000C sous atmosphère d-'azote pendant une durée suffisante pour convertir le mélange en oxynitrure d'aluminium. According to the invention, the heat treatment of the mixture of powders is then carried out at a temperature of 1600 to 19000C under a nitrogen atmosphere for a period sufficient to convert the mixture into aluminum oxynitride.
L'exercice d'une pression à ce stade est indésirable, car elle a pour conséquence d'empêcher la réaction de synthèse de l'oxynitrure d'aluminium. Par commodité, on choisit de fixer la pression de l'azote à au plus 1 atmosphère (l00kPa), généralement en balayage gazeux. The exertion of pressure at this stage is undesirable, since it has the consequence of preventing the synthesis reaction of aluminum oxynitride. For convenience, it is chosen to set the pressure of the nitrogen to at most 1 atmosphere (100 kPa), generally in gas flushing.
Pour convertir le mélange en oxynitrure d'aluminium, des durées de 1 à 4 h sont généralement suffisantes. To convert the mixture to aluminum oxynitride, times of 1 to 4 hours are generally sufficient.
Après cette opération, on soumet l'oxynitrure d'aluminium ainsi obtenu à un broyage pour supprimer les agglomérats et obtenir une poudre ayant une granulométrie inférieure à 20 ssm. Ceci peut être obtenu par broyage à sec dans un mortier, puis homogénéisation au moyen d'un mélangeur. After this operation, the aluminum oxynitride thus obtained is subjected to grinding in order to remove the agglomerates and to obtain a powder having a particle size of less than 20 ssm. This can be achieved by dry grinding in a mortar, followed by homogenization using a mixer.
Selon une caractéristique avantageuse du procédé de l'invention, on soumet de plus la poudre broyée ainsi obtenue à un traitement de purification afin d'éliminer les traces de nitrure d'aluminium et d'alumine n'ayant pas réagi. Ceci peut être effectué en lavant la poudre dans de l'eau bouillante pendant 2 h pour transformer le nitrure d'aluminium en alumine, et en lavant ensuite la poudre par de la soude bouillante afin de dissoudre l'alumine. Après ces deux opérations, on lave la poudre plusieurs fois à l'eau afin d'éliminer les hydroxydes d'aluminium. According to an advantageous characteristic of the process of the invention, the ground powder thus obtained is further subjected to a purification treatment in order to remove the traces of unreacted aluminum nitride and alumina. This can be done by washing the powder in boiling water for 2 h to convert the aluminum nitride to alumina, and then washing the powder with boiling soda to dissolve the alumina. After these two operations, the powder is washed several times with water in order to remove the aluminum hydroxides.
Pour la réalisation du frittage sous charge, on choisit la durée du traitement thermique ainsi que la température et la pression appliquées, afin d'obtenir des pièces en oxynitrure d'aluminium ayant une densité au moins égale à 3,65. For carrying out the sintering under load, the duration of the heat treatment as well as the temperature and the pressure applied are chosen, in order to obtain parts made of aluminum oxynitride having a density at least equal to 3.65.
De préférence, on opère à la pression maximale supportée par les moules utilisés pour le fritta ge car la densification augmente nettement en fonction de la pression appliquée. En ce qui concerne la température, la densification est optimale pour des températures allant de 1750 à 18500C. Cependant, entre 18000C et 18500C, la densification ne progresse plus, et on vérifie qu'à ces températures on obtient un grossissement des grains amenant ultérieurement une porosité intragranulaire pouvant nuire à la qualité optique des produits. La durée du frittage est choisie en fonction de la température et de la pression appliquées. Cette durée est généralement de 2 à 4 h lorsqu'on opère à des températures de 1750 à 18009C, sous des pressions de 20 à 40 MPa. Preferably, the operation is carried out at the maximum pressure supported by the molds used for the sintering because the densification increases markedly as a function of the pressure applied. With regard to temperature, densification is optimal for temperatures ranging from 1750 to 18500C. However, between 18000C and 18500C, the densification no longer progresses, and it is verified that at these temperatures, an enlargement of the grains is obtained, subsequently leading to an intragranular porosity which can adversely affect the optical quality of the products. The duration of the sintering is chosen according to the temperature and the pressure applied. This time is generally 2 to 4 hours when operating at temperatures of 1750 to 18009C, under pressures of 20 to 40 MPa.
Dans certains cas, il est préférable de réaliser le frittage en deux étapes : une première étape consistant à porter la poudre à la température voulue et à la maintenir à cette température pendant une durée inférieure à 1 h, par exemple environ 1/2 h et une deuxième étape consistant à appliquer la pression et à maintenir la poudre à cette meme température jusqu'à l'obtention de la densité désirée. In certain cases, it is preferable to carry out the sintering in two stages: a first stage consisting in bringing the powder to the desired temperature and in maintaining it at this temperature for a period of less than 1 h, for example approximately 1/2 h and a second step consisting in applying the pressure and in maintaining the powder at this same temperature until the desired density is obtained.
Après ce frittage, sous charge, on réalise le traitement thermique de recuit à des températures supérieures à 19000C, de préférence de 1930 à 19700C, pour éviter une volatilisation. La durée du traitement dépend de la température utilisée. Ainsi, si l'on opère à une température de 19700C, on peut obtenir un grossissement des grains suffisant, soit une taille moyenne de grains allant de 200 à 300 Bm après 6 h de traitement. En revanche, si l'on opère à une température de 19300C, il faut des durées supérieures à 24 h pour obtenir le même résultat. A une température de 19500C, une durée de 15 h environ est suffisante pour obtenir ce même résultat. After this sintering, under load, the annealing heat treatment is carried out at temperatures above 19000C, preferably from 1930 to 19700C, to avoid volatilization. The duration of treatment depends on the temperature used. Thus, if the operation is carried out at a temperature of 19700C, it is possible to obtain sufficient grain enlargement, ie an average grain size ranging from 200 to 300 Bm after 6 h of treatment. On the other hand, if one operates at a temperature of 19300C, it takes times greater than 24 hours to obtain the same result. At a temperature of 19500C, a period of about 15 hours is sufficient to obtain the same result.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront mieux à la lecture de l'exem ple suivant donné bien entendu à titre illustratif et non limitatif, en référence au dessin annexé qui représente le spectre de transmission d a une pièce en oxynitrure d'aluminium obtenue par le procédé de l'in- vention. Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following example given of course by way of illustration and not limiting, with reference to the appended drawing which represents the transmission spectrum of a part made of aluminum oxynitride. obtained by the process of the invention.
Cet exemple illustre la préparation de pièces en oxynitrure d'aluminium transparent à partir d'une poudre de nitrure d'aluminium ayant une granulométrie inférieure à 50 m et un taux de pureté de 99%, commercialisé par la Société KOCH LIGHT Lab. Ltd, et d'une poudre d'alumine a d'urne granulométrie moyenne de 0,3 m et d'un taux de pureté de 99,99% comercia- lisée par la Société Fluka AG. This example illustrates the preparation of parts made of transparent aluminum oxynitride from an aluminum nitride powder having a particle size of less than 50 μm and a degree of purity of 99%, marketed by the company KOCH LIGHT Lab. Ltd., and an alumina powder with an average particle size of 0.3 m and a purity level of 99.99% marketed by the company Fluka AG.
On soumet la poudre de nitrure d'aluminium à un broyage effectué tout d'abord pendant 4 h dans un broyeur à boulets en alumine placé dans un mélangeur, puis l'on tamise la poudre broyée de façon à prélever la fraction ayant une granulométrie inférieure à 20 çm. The aluminum nitride powder is subjected to grinding carried out firstly for 4 h in an alumina ball mill placed in a mixer, then the ground powder is sieved so as to take the fraction having a smaller particle size. at 20 çm.
Après cette opération, on prépare le mélange à partir de la poudre d'alumine à 0,3 m et de la poudre de AlN de granulométrie inférieure à 20 > n de façon à avoir 73% en mol d'alumine et 27% en mol de nitrure d'aluminium, soit 12,95 % en poids de nitrure d'aluminium et 87,05% en poids d'aluminer puis on ho mogénéise ce mélange dans un mélangeur pendant au moins 12 h. After this operation, the mixture is prepared from the 0.3 m alumina powder and the AlN powder with a particle size of less than 20> n so as to have 73 mol% of alumina and 27 mol%. of aluminum nitride, ie 12.95% by weight of aluminum nitride and 87.05% by weight of alumina, then this mixture is homogenized in a mixer for at least 12 h.
On place alors le mélange de poudres dans un moule cylindrique en graphite dont les parois sont recouvertes de nitrure de bore déposé à l'aide d'une barbotine de nitrure de bore et d'acétone afin d'empê- cher la diffusion du carbone. On introduit ensuite le moule dans un four à résistor de graphite et on chauffe à 18500C, puis on maintient le moule pendant 4 h à cette température en opérant sous balayage d'azote à la pression atmosphérique. The mixture of powders is then placed in a cylindrical graphite mold, the walls of which are covered with boron nitride deposited using a slip of boron nitride and acetone in order to prevent the diffusion of carbon. The mold is then introduced into a graphite resistor furnace and the mixture is heated to 18500C, then the mold is maintained for 4 h at this temperature while operating under nitrogen purging at atmospheric pressure.
On soumet alors le produit obtenu à un broyage qui est effectué en deux étapes. Dans une première étape, on broie la poudre d'oxynitrure d'aluminium synthétisé dans un mortier en agate afin de détruire les agglomérats, puis on tamise afin de recueillir une poudre de granulométrie inférieure à 100 Bm. On soumet ensuite cette poudre à un broyage dans un broyeur à boulets en alumine pendant 4 h afin d'obtenir une poudre ayant une granulométrie moyenne de 6 Bm. The product obtained is then subjected to grinding which is carried out in two stages. In a first step, the powder of aluminum oxynitride synthesized is ground in an agate mortar in order to destroy the agglomerates, then it is sieved in order to collect a powder with a particle size of less than 100 bm. This powder is then subjected to grinding in an alumina ball mill for 4 h in order to obtain a powder having an average particle size of 6 bm.
Après cette opération, on purifie la poudre pour éliminer les traces de A1N et de A1203. Dans ce but, on lave tout d'abord la poudre à l'eau bouillante pendant 2 h pour transformer A1N en A1203, puis on la lave par de la soude molaire bouillante à 1 mol.l pour transformer A1203 en A1(OH)3. On filtre alors sur un verre fritté et on lave ensuite la poudre plusieurs fois à l'eau pour éliminer totalement A1(OH)3. After this operation, the powder is purified to remove traces of A1N and A1203. For this purpose, the powder is first washed with boiling water for 2 h to transform A1N into A1203, then it is washed with boiling molar soda at 1 mol.l to transform A1203 into A1 (OH) 3 . It is then filtered through a sintered glass and the powder is then washed several times with water to completely remove A1 (OH) 3.
On introduit alors la poudre homogénéisée dans un moule de graphite recouvert intérieurement de nitrure de bore afin d'éviter les phénomènes de diffusion et on place à la partie supérieure du moule un piston en vue d'appliquer une pression à la poudre. On introduit alors l'ensemble dans un four à résistor de graphite et on le porte à la température de 17500C sans appliquer de pression sur le piston, on maintient à cette température pendant 1/2 heure, puis on applique sur le piston une pression de 40 MPa et on maintient l'ensemble à cette température de 17500C pendant 3 h 30 min. The homogenized powder is then introduced into a graphite mold coated internally with boron nitride in order to avoid diffusion phenomena and a piston is placed in the upper part of the mold in order to apply pressure to the powder. The whole is then introduced into a graphite resistor furnace and brought to the temperature of 17500C without applying pressure to the piston, it is maintained at this temperature for 1/2 hour, then a pressure of 40 MPa and the whole is maintained at this temperature of 17500C for 3 h 30 min.
On réalise ensuite le traitement thermique de recuit dans un four à résistor de graphite. La pièce est alors placée dans un moule en graphite contenant une poudre de nitrure de bore protégeant l'échantillon contre la pollution et l'évaporation et on effectue le traitement thermique sous balayage d'azote à la pression atmosphérique, en portant la pièce à une température de 19500C et on la maintient à cette température pendant environ 15 h. The annealing heat treatment is then carried out in a graphite resistor furnace. The part is then placed in a graphite mold containing a boron nitride powder protecting the sample against pollution and evaporation and the heat treatment is carried out under nitrogen flushing at atmospheric pressure, bringing the part to a temperature. temperature of 19500C and maintained at this temperature for about 15 h.
On contrôle alors les propriétés de la pièce en oxynitrure d'aluminium ainsi obtenue après l'avoir soumise à un polissage au diamant. The properties of the aluminum oxynitride part thus obtained are then checked after having subjected it to diamond polishing.
On détermine tout d'abord la taille des grains par microscopie optique à la suite d'un polissage réalisé en deux étapes - un premier polissage au diamant destiné à obtenir
une phase parfaitement plane, et - un second polissage à l'alumine afin d'user de ma
nière préférentielle les grains en fonction de leur
direction cristallographique.The grain size is first determined by optical microscopy following a polishing carried out in two stages - a first diamond polishing intended to obtain
a perfectly flat phase, and - a second polishing with alumina in order to use up my
preferential grain according to their
crystallographic direction.
Le contraste entre les grains est obtenu en défocalisant- légèrement l'image, et la taille des grains est déterminée par comptage statistique. La moyenne des grains est typiquement de 200 à 300 ssm. The contrast between the grains is obtained by slightly defocusing the image, and the size of the grains is determined by statistical counting. The grain average is typically 200-300 ssm.
On détermine ensuite le paramètre de mailles par diffraction aux rayons X aux grands angles sur un diffractomètre Hubert muni d'un monochromateur et l'on obtient une valeur de 0,7943 nm. The mesh parameter is then determined by wide-angle X-ray diffraction on a Hubert diffractometer equipped with a monochromator and a value of 0.7943 nm is obtained.
On détermine également la densité du produit. Celle-ci est de 3,670, ce qui correspond à une porosité résiduelle de 0,4%. La densité théorique calculée à partir du paramètre de mailles précédent en admettant que les ions N3 et 2 se répartissent dans les 32 sites anioniques de la maille spinelle correspond à 3,685. On obtient ainsi une densité qui correspond à plus de 99% de la densité théorique. The density of the product is also determined. This is 3.670, which corresponds to a residual porosity of 0.4%. The theoretical density calculated from the preceding mesh parameter, assuming that the N3 and 2 ions are distributed in the 32 anionic sites of the spinel mesh corresponds to 3.685. A density is thus obtained which corresponds to more than 99% of the theoretical density.
On détermine également le coefficient de dilatation thermique aT sur un dilatomètre électronique
Adamel jusqu'à 10000C, et on obtient les résuleats suivants : - CT = 7,49.10-6/OC de 20 à 7000C, - CT = 9,04.10-6/QC de 700 à 10000C. The coefficient of thermal expansion aT is also determined on an electronic dilatometer
Adamel up to 10000C, and the following results are obtained: - CT = 7.49.10-6 / OC from 20 to 7000C, - CT = 9.04.10-6 / QC from 700 to 10000C.
On détermine aussi la résistance à la rupture en flexion et la microdureté des pièces transparentes ainsi obtenues. La résistance à la rupture en flexion est déterminée par un essai de flexion à 3 points en utilisant une machine de flexion du type
Testwell. L'écartement entre appuis est de 19 mm et la déformation est appliquée sur l'appui central à une vitesse de 0,2 mm/min. La microdureté est mesurée sur un microduremètre SHIMADZU (type M). Les résultats obtenus sont les suivants - résistance à la rupture en flexion : 200 MPa, - microdureté H v = 1820 pour des mesures d'empreintes
carrées sous une charge de 300 g.The flexural strength and microhardness of the transparent parts thus obtained are also determined. The bending tensile strength is determined by a 3-point bending test using a bending machine of the type
Testwell. The spacing between supports is 19 mm and the deformation is applied to the central support at a speed of 0.2 mm / min. The microhardness is measured on a SHIMADZU micro hardness meter (type M). The results obtained are as follows - flexural strength: 200 MPa, - microhardness H v = 1820 for indentation measurements
squares under a load of 300 g.
On vérifie par ailleurs les propriétés optiques de la pièce en oxynitrure d'aluminium transparent sur un spectrophotomètre Perkin Elmer 5515 pour le visible et l'ultraviolet et sur un spectrophotomètre
Perkin Elmer 225 pour l'infrarouge.The optical properties of the transparent aluminum oxynitride part are also checked on a Perkin Elmer 5515 spectrophotometer for the visible and ultraviolet and on a spectrophotometer
Perkin Elmer 225 for infrared.
Le spectre de transmission obtenu est représenté sur la figure annexée pour des échantillons ayant une épaisseur d'environ 2 mm. The transmission spectrum obtained is shown in the appended figure for samples having a thickness of approximately 2 mm.
Au vu de cette figure, on constate que le domaine de transmission couvre des longueurs d'onde allant de 0,3 çm à 5 çm, soit la totalité du domaine visible et une bonne partie du domaine infrarouge. La transmission globale est d'au moins 60% dans le domaine de longueurs d'ondes allant de 0,3 à 5 Bm. In view of this figure, it can be seen that the transmission domain covers wavelengths ranging from 0.3 μm to 5 μm, ie the entire visible domain and a good part of the infrared domain. The overall transmission is at least 60% in the wavelength range from 0.3 to 5 Bm.
On réalise également des mesures de réflexion et l'on obtient un pourcentage de réflexion de 15% dans le domaine 0,3-0,8 im, ce qui est proche de ce que l'on obtient avec un verre ordinaire dans le domaine visible (10% de réflexion environ). Reflection measurements are also carried out and a reflection percentage of 15% is obtained in the 0.3-0.8 im range, which is close to what is obtained with ordinary glass in the visible range. (About 10% reflection).
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