FR3048693A1 - CERAMICS AND / OR VITROCERAMICS BASED ON TELLUR DIOXIDE, USES AND PROCESS FOR PREPARING THE SAME - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un matériau vitrocéramique et/ou céramique optiquement translucide et/ou transparent dans le visible et 5 l'infrarouge, caractérisé en ce qu'il comprend une composition de formule (I) suivante : (A2O3)x(B2O5)y(TeO2)100-x-y (I) Où A représente un élément choisi parmi Bi et/ou Sb, et B représente un élément choisi parmi Nb et/ou Ta, et x et y représentent indépendamment un nombre compris de 9 à 13, et en ce qu'il est choisi parmi une céramique et une vitrocéramique. La présente invention se rapporte également à l'utilisation de ce 5 matériau pour la fabrication de matériaux optiques, ainsi qu'à des produits le contenant. La présente invention se rapporte en outre à un procédé de préparation d'un matériau tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : i) préparation d'un verre transparent comprenant une composition de formule (I), et ii) cristallisation dudit verre permettant d'obtenir ledit matériau. La présente invention se rapporte enfin à l'tilisation d'un verre 5 comprenant au moins 60% massique d'une composition de formule (I) par rapport à la masse totale du verre, pour la préparation d'une céramique ou d'une vitrocéramique optiquement translucide et/ou transparente dans le visible et l'infrarouge.The present invention relates to a glass-ceramic material and / or ceramic optically translucent and / or transparent in the visible and infrared, characterized in that it comprises a composition of formula (I) below: (A2O3) x (B2O5 y (TeO2) 100-xy (I) where A represents an element selected from Bi and / or Sb, and B represents an element selected from Nb and / or Ta, and x and y independently represent a number from 9 to 13; and in that it is selected from ceramics and glass-ceramics. The present invention also relates to the use of this material for the manufacture of optical materials, as well as products containing it. The present invention furthermore relates to a process for preparing a material as defined in any one of the preceding claims, characterized in that it comprises the following steps: i) preparation of a transparent glass comprising a composition of formula (I), and ii) crystallization of said glass to obtain said material. The present invention finally relates to the use of a glass comprising at least 60% by weight of a composition of formula (I) relative to the total mass of the glass, for the preparation of a ceramic or a glass ceramic optically translucent and / or transparent in the visible and infrared.
Description
CÉRAMIQUES ET/OU VITROCÉRAMIQUES À BASE DE DIOXYDE DECERAMICS AND / OR VITRO CERAMICS BASED ON DIOXIDE DE
TELLURE, UTILISATIONS ET PROCÉDÉ DE PRÉPARATIONTELLURE, USES AND METHOD OF PREPARATION
Domaine techniqueTechnical area
La présente invention se rapporte à un matériau optiquement translucide et/ou transparent dans le visible et l’infrarouge, ainsi qu’à un procédé permettant de l’obtenir et à son utilisation. L’invention trouve des applications notamment dans le domaine de l’optique, active ou passive.The present invention relates to an optically translucent material and / or transparent in the visible and infrared, and a method for obtaining it and its use. The invention finds applications particularly in the field of optics, active or passive.
Dans la description ci-dessous, les références entre crochets ([]) renvoient à la liste des références présentée à la fin du texte. État de la techniqueIn the description below, references in brackets ([]) refer to the list of references at the end of the text. State of the art
Les céramiques et vitrocéramiques sont des matériaux technologiques novateurs obtenus par cristallisation du verre. En raison de leur caractère cristallin, les céramiques et vitrocéramiques présentent des propriétés optiques qui les rendent particuliérement intéressantes par rapport aux verres correspondants.Ceramics and vitroceramics are innovative technological materials obtained by crystallization of glass. Because of their crystalline character, ceramics and glass-ceramics have optical properties that make them particularly interesting compared to the corresponding glasses.
Le contrôle précis des processus de cristallisation mis en jeu et influençant la microstructure finale du matériau peut permettre l’élaboration de vitrocéramiques transparentes ou au moins translucides, caractéristique pré-requise pour de bonnes propriétés optiques. Ainsi, ces céramiques et vitrocéramiques ont de nombreuses applications dans le domaine de l’optique.The precise control of the crystallization processes involved and influencing the final microstructure of the material can allow the production of transparent or at least translucent glass-ceramics, a characteristic prerequisite for good optical properties. Thus, these ceramics and glass-ceramics have many applications in the field of optics.
Cependant, s'il est facile d'obtenir des verres transparents, l'obtention de matériaux cristallisés transparents ou au moins translucides complètement, comme les céramiques, ou partiellement, comme les vitrocéramiques, est beaucoup plus difficile.However, if it is easy to obtain transparent glasses, obtaining crystallized materials that are transparent or at least completely translucent, such as ceramics, or partially, such as glass-ceramics, is much more difficult.
Des compositions de matériaux cristallisés transparents ou translucides ont été décrites dans l'art antérieur, cependant ceux-ci correspondent essentiellement soit à des céramiques monocristallines, soit à des céramiques polycristallines élaborées par frittage de poudres.Compositions of transparent or translucent crystalline materials have been described in the prior art, however these essentially correspond to either monocrystalline ceramics or to polycrystalline ceramics made by sintering powders.
Les besoins en céramiques transparentes dans l’industrie sont actuellement satisfaits grâce au frittage de (nano)-poudres ou à la synthèse de monocristaux mettant en œuvre des méthodes de croissance très lentes, comme par exemple le procédé Czochralski, qui requiert des temps de fabrication allant de plusieurs jours à plusieurs semaines, et des températures d'élaboration bien souvent supérieures à 1500°C pour les oxydes habituellement utilisés. Par ailleurs, les cristaux ainsi obtenus ont une taille de l'ordre de quelques centimètres.The need for transparent ceramics in the industry is currently met by sintering (nano) -powders or single-crystal synthesis using very slow growth methods, such as the Czochralski process, which requires manufacturing times. ranging from several days to several weeks, and processing temperatures often above 1500 ° C for the oxides usually used. Moreover, the crystals thus obtained have a size of the order of a few centimeters.
De manière remarquable, la transparence du verre peut être conservée lors de la cristallisation (partielle ou totale), menant à l’élaboration de vitrocéramiques et céramiques hautement transparentes. Les vitrocéramiques sont cependant des matériaux partiellement cristallisés, ce qui limite leurs propriétés photoniques. De plus, les procédés de fabrication des céramiques nanocristallisées font en général intervenir des particules nanométriques, coûteuses à fabriquer. Les particules subissent une étape de pressage, puis une étape de frittage à une température souvent supérieure à 1500°C lors de laquelle a lieu la croissance des cristaux. La maîtrise de cette étape est particulièrement critique, puisqu'il est nécessaire en général de conserver des cristaux de taille nanométrique, habituellement inférieure à 100 nm (inférieure à quatre fois la limite basse de la longueur d'onde visible), pour conserver la transparence. Dans le cas de matériau biréfringent, une croissance cristalline trop importante, implique l’obtention de céramiques opaques.Remarkably, the transparency of the glass can be preserved during crystallization (partial or total), leading to the development of highly transparent glass ceramics and ceramics. Vitroceramics are however partially crystallized materials, which limits their photonic properties. In addition, the processes for manufacturing nanocrystallized ceramics generally involve nanometric particles, expensive to manufacture. The particles undergo a pressing step, then a sintering step at a temperature often greater than 1500 ° C during which the growth of the crystals takes place. Control of this step is particularly critical, since it is generally necessary to preserve nanometric-sized crystals, usually less than 100 nm (less than four times the lower limit of the visible wavelength), to maintain transparency. . In the case of birefringent material, excessive crystalline growth implies obtaining opaque ceramics.
Les monocristaux et céramiques nanocristallisés (obtenues à partir du frittage de poudre), très adaptés pour des applications haute performance telles que des applications LASER, ont un coût de fabrication bien trop élevé pour des applications plus usuelles, par exemple pour l'affichage, l'éclairage ou les lentilles.Nanocrystallized single crystals and ceramics (obtained from powder sintering), very suitable for high performance applications such as LASER applications, have a manufacturing cost far too high for more usual applications, for example for display, lighting or lenses.
Par ailleurs, les mises en forme complexes, telle que les pièces de gros diamètres ou les formes atypiques (ex : lentille) ou les fibres « tout céramique », sont impossibles à l’heure actuelle. Des techniques très onéreuses et chronophages comme le procédé Czochralski permettent cependant d’obtenir des « rods » avec des diamètres et des longueurs limités.In addition, complex formatting, such as large diameter pieces or atypical forms (eg lens) or "all-ceramic" fibers, are impossible at present. Very expensive and time-consuming techniques such as the Czochralski process, however, make it possible to obtain rods with limited diameters and lengths.
Les verres à base de tellurite sont connus pour présenter de nombreux avantages par rapport aux verres de silice, en particulier une meilleure transparence dans l’infrarouge pouvant atteindre 5-6 pm, un index de réfraction plus élevé, une meilleure solubilité aux ions terres rares et des propriétés en optique non linéaire prometteuses. Grâce à ces propriétés, les verres à base de tellurite trouvent des applications dans de nombreux dispositifs optiques, tels que les fibres optiques. L’inconvénient majeur des verres à base de tellurite reste leurs mauvaises propriétés mécaniques, qui peuvent être surmontées par une cristallisation contrôlée conduisant à des vitrocéramiques transparentes. Ces vitrocéramiques peuvent être obtenues soit par un traitement thermique en une étape, soit par un traitement thermique en deux étapes (Bertrand et al. : « New Transparent Glass-Ceramics Based on the Crystallization of “Anti-glass” Spherulites in the BiaOa-NbaOs-TeOa System”, Crystal Growth and Design, September 4, 2015 ([1])). Bertrand et al. décrivent dans ce cadre la préparation d’une céramique à base de tellurite. Cependant, cette vitrocéramique présente une cristallisation sous forme de sphérolites («sphères cristallisées ») et perd rapidement sa transparence lorsque la fraction cristalline augmente, ce qui implique l’impossibilité d’obtenir une céramique transparente.Tellurite-based glasses are known to have many advantages over silica glasses, in particular better infrared clarity of up to 5-6 μm, higher refractive index, better rare earth ion solubility and promising nonlinear optical properties. Thanks to these properties, tellurite-based glasses find applications in many optical devices, such as optical fibers. The major disadvantage of tellurite-based glasses is their poor mechanical properties, which can be overcome by controlled crystallization leading to transparent glass-ceramics. These glass-ceramics can be obtained either by a one-step heat treatment or by a two-stage heat treatment (Bertrand et al .: "New Transparent Glass-Ceramics Based on the Crystallization of" Anti-glass "Spherulites in the BiaOa-NbaOs -TeOa System ", Crystal Growth and Design, September 4, 2015 ([1])). Bertrand et al. describe in this context the preparation of a tellurite-based ceramic. However, this glass-ceramic has a crystallization in the form of spherulites ("crystallized spheres") and quickly loses its transparency when the crystalline fraction increases, which implies the impossibility of obtaining a transparent ceramic.
Des verres et des vitrocéramiques à base d’oxyde de tellure ont également été décrits dans le document de Bertrand et al. (« A Comprehensive Study of the Carbon Contamination in Tellurite Glasses and Glass-Ceramics Sintered by Spark Plasma Sintering (SPS)”, J. Am. Ceram. Soc., 97 [1] 163-172 (2013) ([2])). Ces matériaux sont obtenus par frittage conventionnel de poudre, qui est un phénomène complexe et de mise en œuvre ardue.Glass and glass-ceramics based on tellurium oxide have also been described in the document by Bertrand et al. (A Comprehensive Study of Carbon Contamination in Tellurite Glasses and Glass-Ceramics by Spark Plasma Sintering (SPS) ", J. Am. Ceram Soc., 97 [1] 163-172 (2013) ([2]) ). These materials are obtained by conventional sintering of powder, which is a complex phenomenon and difficult implementation.
Le document WO201276527 décrit quant à lui un procédé d’amorphisation par mécanosynthèse permettant d’obtenir une poudre amorphe, qui est ensuite frittée pour obtenir un matériau massif amorphe (verre) ou une vitrocéramique comprenant un chalcogénure à base de tellure. Toutefois, le produit obtenu ne montre qu’une cristallisation en surface et non en volume.The document WO201276527 describes a method of amorphization by mechanosynthesis making it possible to obtain an amorphous powder, which is then sintered to obtain an amorphous solid material (glass) or a glass-ceramic comprising a chalcogenide based on tellurium. However, the product obtained shows only a crystallization on the surface and not in volume.
Il existe donc un besoin pour de nouvelles céramiques et vitrocéramiques transparentes ou translucides palliant ces défauts, inconvénients et obstacles de l’art antérieur, en particulier d’un procédé robuste, industrialisable, permettant de réduire les coûts et d’améliorer les qualités optiques des céramiques et vitrocéramiques.There is therefore a need for new transparent or translucent ceramics and glass-ceramics to overcome these defects, disadvantages and obstacles of the prior art, in particular of a robust, industrializable process which makes it possible to reduce the costs and improve the optical qualities of the products. ceramics and vitroceramics.
Description de i’inventionDescription of the invention
Aux termes d’importantes recherches, la Demanderesse est parvenue à surmonter les inconvénients et restrictions de l’art antérieur en préparant de nouvelles céramiques et vitrocéramiques, notamment par cristallisation complète (ou partielle dans le cas des vitrocéramiques) et congruente d’un verre.According to important research, the Applicant has managed to overcome the disadvantages and restrictions of the prior art by preparing new ceramics and glass ceramics, including complete crystallization (or partial in the case of glass-ceramics) and a congruent glass.
La Demanderesse a en effet mis au point de nouvelles compositions vitreuses qui permettent de contrôler parfaitement la cristallisation.The Applicant has in fact developed new vitreous compositions which make it possible to perfectly control the crystallization.
Les céramiques et vitrocéramiques de l'invention peuvent être facilement élaborées par un procédé verrier peu coûteux, impliquant une étape de recuit d'un verre de composition correspondante à base de dioxyde de tellure.The ceramics and glass-ceramics of the invention can easily be produced by an inexpensive glass-making process, involving a step of annealing a glass of corresponding composition based on tellurium dioxide.
Avantageusement, de par son procédé de préparation et sa mise en forme, les céramiques et vitrocéramiques de l’invention ne présentent pas de contrainte de forme et de taille : il est en effet possible d’obtenir des formes variées et des dimensions importantes grâce à la mise en œuvre du procédé mis au point par la Demanderesse. De plus, les compositions chimiques des verres permettent une cristallisation en volume du produit obtenu. L’invention fait intervenir un procédé simple de fusion d’un mélange vitrifiable mélange vitrifiable qui peut être mis en forme. Cette première étape est suivie d’une seconde étape de cristallisation dans un four (traitement thermique adapté). Avantageusement, ce procédé est de mise en oeuvre rapide à relativement basse température (notamment inférieure à 900°C). Dans ce procédé, aucune manipulation de nano-poudres n’est à répertorier, contrairement aux procédés de l’art antérieur ; de ce fait, aucune contrainte liée aux normes n’est recensée.Advantageously, due to its preparation process and its shaping, the ceramics and glass-ceramics of the invention do not present a constraint of shape and size: it is indeed possible to obtain various shapes and large dimensions thanks to the implementation of the process developed by the Applicant. In addition, the chemical compositions of the glasses allow crystallization by volume of the product obtained. The invention involves a simple method of melting a vitrifiable mixture vitrifiable mixture that can be shaped. This first step is followed by a second crystallization step in a furnace (heat treatment adapted). Advantageously, this process is rapid implementation at relatively low temperature (especially less than 900 ° C). In this process, no manipulation of nanopowder is to be listed, unlike the processes of the prior art; as a result, no standards-related constraints are identified.
La solution technique offerte par le procédé proposé permet de s’affranchir des phénomènes complexes de frittage (comme le Spark Plasma Sintering, Hot Uniaxial Pressing, Hit Isostatic Pressing) à partir de nano-poudres actuellemet utilisés pour obtenir des céramiques transparentes (par exemple, MgAl204). L’invention est particulièrement intéressante pour le domaine de l’optique, et plus particulièrement pour les applications nécessitant des matériaux possédant une fenêtre de transparence comprise entre le visible et l’infrarouge. En effet, les céramiques et vitrocéramiques de l’invention sont avantageusement transparente du visible (500 nm) jusqu’à 6 pm et peuvent être mises sous forme de matériau massif ou sous forme de fibre optique.The technical solution offered by the proposed method makes it possible to overcome the complex phenomena of sintering (such as Spark Plasma Sintering, Hot Uniaxial Pressing, Hit Isostatic Pressing) from nano-powders currently used to obtain transparent ceramics (for example, MgAl204). The invention is particularly interesting for the field of optics, and more particularly for applications requiring materials having a window of transparency between the visible and the infrared. Indeed, the ceramics and glass-ceramics of the invention are advantageously transparent from the visible (500 nm) up to 6 pm and can be formed into solid material or in the form of optical fiber.
Selon les dopages en ions terres rares, qui sont au demeurant facilités, des applications en tant que micro-laser ou fibre laser sont envisagées.According to rare earth ion dopings, which are moreover facilitated, applications as a micro-laser or laser fiber are envisaged.
De plus, un autre avantage par rapport aux techniques conventionnelles d’obtention de céramiques transparentes faisant intervenir le frittage réside en ce qu’aucune porosité n’est constatée dans le matériau obtenu,.In addition, another advantage over conventional techniques for obtaining transparent ceramics involving sintering is that no porosity is found in the material obtained.
Ainsi, un premier objet de l’invention se rapporte à un matériau optiquement translucide et/ou transparent dans le visible et l’infrarouge, caractérisé en ce qu’il comprend une composition de formule (I) suivante : (A2O3)x(B2O5)y(TeO2)l00-x-y (I) Où A représente un élément choisi parmi Bi et Sb, et B représente un élément choisi parmi Nb et Ta, et X et y représentent indépendamment un nombre compris de 9 à 13, et en ce que le matériau est choisi parmi une céramique et une vitrocéramique.Thus, a first subject of the invention relates to an optically translucent and / or transparent material in the visible and the infrared, characterized in that it comprises a composition of following formula (I): (A2O3) x (B2O5 wherein A represents an element selected from Bi and Sb, and B represents a member selected from Nb and Ta, and X and y independently represent a number from 9 to 13, and that the material is selected from a ceramic and a glass ceramic.
On entend par « verre », au sens de la présente invention, un solide inorganique amorphe, tel un solide figé, qui peut être obtenu sous forme massive ou sous forme pulvérulente (fritte de verre), selon les conditions de trempe.For the purposes of the present invention, the term "glass" means an amorphous inorganic solid, such as a solid, which can be obtained in solid form or in pulverulent form (glass frit), depending on the quenching conditions.
On entend par « céramique », au sens de la présente invention, un matériau inorganique polycristallin constitué de cristaux, avec un taux de cristallisation compris entre 98% et 100%, c’est-à-dire entre 98% et 100% en poids du matériau cristallin. Avantageusement, ce matériau n’est pas obtenu sous forme de poudre, ce qui permet de s’affranchir du phénomène de frittage pour obtenir un matériau massif.For the purposes of the present invention, the term "ceramic" means a polycrystalline inorganic material consisting of crystals, with a degree of crystallization of between 98% and 100%, ie between 98% and 100% by weight. crystalline material. Advantageously, this material is not obtained in the form of powder, which makes it possible to overcome the sintering phenomenon to obtain a solid material.
On entend par « vitrocéramique », au sens de la présente invention, un matériau inorganique constitué d’un mélange de verre et de cristaux, avec un taux de cristallisation compris entre 5 et 98%, c’est-à-dire entre 5% et 98% en poids du matériau cristallin. Les cristaux sont englobés dans une matrice de verre et ce matériau n’est pas obtenu sous forme de poudre, ce qui permet de s’affranchir du phénomène de frittage pour obtenir un matériau massif.For the purposes of the present invention, the term "glass-ceramic" means an inorganic material consisting of a mixture of glass and crystals, with a crystallization rate of between 5 and 98%, ie between 5% and 98% by weight of the crystalline material. The crystals are embedded in a glass matrix and this material is not obtained in the form of powder, which makes it possible to overcome the sintering phenomenon to obtain a solid material.
On entend par « transparent », au sens de la présente invention, le fait que l’on peut voir à travers le matériau (dans le domaine du visible). Cette notion qualitative de transparence peut être précisée quantitativement le cas échant par une mesure de transmission lumineuse spéculaire (http://www.perkinelmer.com/product/lambda-950-uv-vis-nir-spectrophotometer-1950). Cette mesure consiste à mesurer l’intensité lumineuse selon l’axe du rayon lumineux incident. Un matériau peut être considéré comme transparent lorsque sa transmission lumineuse spéculaire est supérieure ou égale à 30%, par exemple supérieure à 40%, ou supérieure à 50%, ou supérieure à 60%.For the purposes of the present invention, "transparent" is understood to mean the fact that it can be seen through the material (in the visible range). This qualitative notion of transparency can be specified quantitatively, if necessary, by a specular light transmission measurement (http://www.perkinelmer.com/product/lambda-950-uv-vis-nir-spectrophotometer-1950). This measurement consists of measuring the light intensity along the axis of the incident light beam. A material may be considered transparent when its specular light transmission is greater than or equal to 30%, for example greater than 40%, or greater than 50%, or greater than 60%.
On entend par « translucide », au sens de la présente invention que le matériau transmet la lumière mais qu’il n’est pas possible de voir les objets au travers du matériau. Les matériaux translucides présentent un phénomène de diffusion important qui peut être mesuré grâce à un spectrophotomètre équipé d’une sphère d’intégration.For the purposes of the present invention, the term "translucent" means that the material transmits light but that it is not possible to see the objects through the material. The translucent materials exhibit a significant diffusion phenomenon that can be measured by means of a spectrophotometer equipped with an integrating sphere.
On entend par « le domaine visible », au sens de la présente invention, la partie du spectre électromagnétique visible pour l'œil humain, c'est-à-dire une représentation de l'ensemble des composantes monochromatiques de la lumière visible. La Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) définit la vision de l’observateur de référence entre une longueur d'onde dans le vide de 380 nm, perçue comme un violet, et celle de 780 nm, correspondant à un rouge.For the purposes of the present invention, the term "visible domain" is intended to mean that part of the electromagnetic spectrum visible to the human eye, that is to say a representation of all the monochromatic components of the visible light. The International Commission on Illumination (CIE) defines the view of the reference observer between a wavelength in vacuum of 380 nm, perceived as a violet, and that of 780 nm, corresponding to a red.
On entend par « le domaine infrarouge », au sens de la présente invention, une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais inférieure à celle des micro-ondes. Il peut s’agir notamment d’une longueur d’onde comprise entre environ 0,7 pm et environ 1 mm.For the purposes of the present invention, the term "infrared domain" is used to mean a wavelength greater than that of visible light but less than that of microwaves. This may include a wavelength of between about 0.7 pm and about 1 mm.
Selon la présente invention, dans la formule (I), les nombres x et y représentent des proportions molaires. Les nombres x et y peuvent représenter indépendamment 9, ou 10, ou 11, ou 12, ou 13.According to the present invention, in formula (I), the numbers x and y represent molar proportions. The numbers x and y can independently represent 9, or 10, or 11, or 12, or 13.
Par exemple, x peut être égal à 9, et y peut être égal à 9, 10, 11, 12 ou 13.For example, x can be 9, and y can be 9, 10, 11, 12, or 13.
Par exemple, x peut être égal à 10, et y peut être égal à 9, 10, 11, 12 ou 13.For example, x may be 10, and y may be 9, 10, 11, 12, or 13.
Par exemple, x peut être égal à 11, et y peut être égal à 9, 10, 11, 12 ou 13.For example, x may be equal to 11, and y may be 9, 10, 11, 12, or 13.
Par exemple, x peut être égal à 12, et y peut être égal à 9, 10, 11, 12 ou 13.For example, x may be 12, and y may be 9, 10, 11, 12, or 13.
Par exemple, x peut être égal à 13, et y peut être égal à 9, 10, 11, 12 ou 13.For example, x may be 13, and y may be 9, 10, 11, 12, or 13.
Les nombres x et y peuvent être égaux.The numbers x and y can be equal.
Par exemple, x et y peuvent être égaux à 12,5 chacun.For example, x and y can be equal to 12.5 each.
Selon l’invention, le matériau peut comprendre au moins 60% en masse de la composition de formule (I) par rapport à la masse totale dudit matériau. Par exemple, le matériau peut comprendre 60%, ou au moins 70%, ou au moins 75%, ou au moins 80%, ou au moins 90%, ou au moins 95% ou au moins 100% en masse de la composition de formule (I) par rapport à la masse totale dudit matériau. Avantageusement, le matériau peut comprendre environ au moins 75% massique par rapport à la masse totale du matériau, 75% étant compris. Alternativement, le matériau peut comprendre 100% en masse de la composition de formule (I) par rapport à la masse totale dudit matériau, c’est-à-dire être constitué de la composition de formule (I).According to the invention, the material may comprise at least 60% by weight of the composition of formula (I) relative to the total mass of said material. For example, the material may comprise 60%, or at least 70%, or at least 75%, or at least 80%, or at least 90%, or at least 95% or at least 100% by weight of the formula (I) with respect to the total mass of said material. Advantageously, the material may comprise at least about 75% by weight relative to the total mass of the material, 75% being included. Alternatively, the material may comprise 100% by weight of the composition of formula (I) relative to the total mass of said material, that is to say be composed of the composition of formula (I).
Le matériau de la présente invention peut comprendre, en complément de la composition de formule (I), le cas échéant, des éléments additifs utilisés classiquement dans le domaine technique. Il peut s’agir par exemple de dopants tels que des ions de métaux de transition ou de terres rares. La quantité des éléments additifs peut être suffisante pour atteindre 100% en masse du matériau. Par exemple, le matériau peut comprendre jusqu’à 40% en masse d’éléments additifs par rapport à la masse totale du matériau, c’est-à-dire entre 0 et 40%. Par exemple, si le matériau comprend 75% de composition de formule (I), alors il comprend 25% d’éléments additifs.The material of the present invention may comprise, in addition to the composition of formula (I), where appropriate, additive elements conventionally used in the technical field. It may be for example dopants such as transition metal ions or rare earths. The amount of additive elements may be sufficient to achieve 100% by weight of the material. For example, the material may comprise up to 40% by weight of additive elements relative to the total mass of the material, i.e. between 0 and 40%. For example, if the material comprises 75% of composition of formula (I), then it comprises 25% of additive elements.
Avantageusement, le matériau céramique ou vitrocéramique peut être comprendre dopants, comme des ions terres rares, par exemple les ions Er^·", Nd^·" ou Yb^·", ou des ions de métaux de transition, comme par exemple les ions Cr^·", Mn^YMn^"", Co^"", Ti^"" ou Ni^"". L’élément dopant, sa concentration et son degré d’oxydation sont choisis en fonction des propriétés optiques recherchées pour le matériau. Ce dopage peut en particulier être particulièrement avantageux pour différentes applications dans le domaine de l’optique, notamment en conférant des propriétés optiques au matériau spécifiques, par exemple une luminescence.Advantageously, the ceramic or glass-ceramic material may be comprised of doping agents, such as rare earth ions, for example Er 2+, Nd 2+ or Yb 2+ ions, or transition metal ions, for example ions. ## STR1 ## or Ni 2+. The doping element, its concentration and its degree of oxidation are chosen according to the optical properties sought for the material. This doping may in particular be particularly advantageous for various applications in the field of optics, in particular by conferring optical properties on the specific material, for example luminescence.
Le matériau selon l’invention peut être un matériau massif. Alternativement, il peut s’agir d’une couche mince, par exemple un matériau dont l’épaisseur est comprise d’entre environ 1 nm et environ 10 pm ou d’une fibre.The material according to the invention can be a solid material. Alternatively, it may be a thin layer, for example a material whose thickness is between about 1 nm and about 10 pm or a fiber.
Un autre objet de l’invention se rapporte à un procédé de préparation d’un matériau tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : i) préparation d’un verre transparent comprenant une composition de formule (I), et ii) cristallisation par traitement thermique dudit verre pour obtenir ledit matériau.Another subject of the invention relates to a process for preparing a material as defined above, characterized in that it comprises the following steps: i) preparation of a transparent glass comprising a composition of formula (I) and ii) crystallization by heat treatment of said glass to obtain said material.
Avantageusement, les céramiques et vitrocéramiques transparentes ou translucides de la présente invention obtenues par le procédé de l’invention ont donc la même constitution que le verre dont elles dérivent. L’étape i) de préparation d’un verre transparent est une étape classique et l’homme du métier pourra utiliser toute méthode de préparation d’un verre adaptée à l’objet de l’invention. L’étape i) peut par exemple comprendre une étape de fusion des éléments entrant dans sa composition conduisant à un liquide, suivie d’une étape de solidification de ce liquide. Les éléments entrant dans la composition du verre peuvent être mélangés sous forme de poudre en début d’étape i). Les éléments entrant dans la composition du verre peuvent être par exemple des poudres d’oxydes. La fusion peut être par exemple une fusion de ces poudres d’oxydes. L’homme du métier peut adapter la température de fusion nécessaire pour l’obtention du verre au vu de ses connaissances techniques. Quel que soit le mode de réalisation, la température de fusion peut être par exemple comprise d’environ 700°C à environ 1000°C, par exemple environ 850°C.Advantageously, the transparent or translucent ceramics and glass-ceramics of the present invention obtained by the process of the invention therefore have the same constitution as the glass from which they derive. Step i) of preparing a transparent glass is a conventional step and the skilled person can use any method of preparing a glass suitable for the object of the invention. Step i) may for example comprise a melting step of the elements entering into its composition leading to a liquid, followed by a step of solidification of this liquid. The elements used in the composition of the glass may be mixed in powder form at the beginning of step i). The elements used in the composition of the glass may be, for example, oxide powders. The melting may be, for example, a fusion of these oxide powders. The skilled person can adapt the melting temperature required to obtain the glass in the light of his technical knowledge. Whatever the embodiment, the melting temperature may be, for example, from about 700 ° C to about 1000 ° C, for example about 850 ° C.
La température de fusion peut être obtenue par tout procédé de chauffage connu de l’homme du métier, par exemple un chauffage dans un four classique.The melting temperature can be obtained by any heating method known to those skilled in the art, for example heating in a conventional oven.
Avantageusement, le mélange en fusion est ensuite coulé dans un moule de forme voulue puis refroidi afin de d’obtenir un matériau solide de la forme voulue. La coulée dans un moule permet avantageusement d’obtenir des pièces de formes très variées et de grandes dimensions. A titre d’exemple, la pièce obtenue peut avoir une forme de pastille ou de lentille. L’épaisseur de la pièce peut être comprise entre 500 pm et 100 mm. La pièce peut avoir un diamètre compris entre 1 mm et 100 mm. En utilisant d’autres procédés (fibrage, pulvérisation), la pièce peut se trouver sous forme de fibre ou de couche mince.Advantageously, the molten mixture is then poured into a mold of desired shape and then cooled in order to obtain a solid material of the desired shape. Casting in a mold advantageously allows to obtain pieces of very varied shapes and large dimensions. By way of example, the piece obtained may have a pellet or lens shape. The thickness of the part may be between 500 μm and 100 mm. The piece can have a diameter of between 1 mm and 100 mm. Using other methods (fiber drawing, spraying), the part can be in the form of fiber or thin layer.
Il est difficile d’obtenir une telle variété de formes par les techniques de l’art antérieur d’élaboration de monocristaux ou des céramiques polycristallines nanométriques ultra-denses pour l’optique, obtenues par frittage sous haute pression et haute température. En effet, la forme des monocristaux y est contrainte par le procédé de synthèse. Dans le cas des céramiques polycristallines transparentes, le procédé de frittage utilisé nécessite une étape de pressage (sous pression élevée), ce qui est incompatible avec l’obtention de formes variées (les formes classiques obtenues sous presse étant de type cylindrique ou parallélépipédique). L’étape de solidification du liquide peut être ou comprendre un refroidissement du liquide. De préférence, le procédé selon l’invention ne fait pas intervenir d’étape de nucléation. Il ne nécessite donc pas de recuit en deux étapes ni l’utilisation d’agents nucléants.It is difficult to obtain such a variety of shapes by the techniques of the prior art for producing monocrystals or nanoscale polycrystalline ceramics ultra-dense for optics, obtained by sintering under high pressure and high temperature. Indeed, the shape of the single crystals is constrained by the synthesis process. In the case of transparent polycrystalline ceramics, the sintering process used requires a pressing step (under high pressure), which is incompatible with obtaining various shapes (the conventional shapes obtained in press being of cylindrical or parallelepipedic type). The step of solidifying the liquid may be or include cooling the liquid. Preferably, the method according to the invention does not involve a nucleation step. It does not require two-stage annealing or the use of nucleating agents.
Avantageusement, le verre transparent peut comprendre au moins 60% massique, par exemple au moins 70%, ou au moins 75%, ou au moins 80%, ou au moins 90% ou 100% massique par rapport à la masse totale du verre, d’une composition de formule (I). De préférence, le verre transparent peut comprendre au moins 75% massique par rapport à la masse totale du verre, d’une composition de formule (I). L’étape ii) de cristallisation peut être une cristallisation congruente en volume. On entend par « cristallisation congruente », au sens de la présente invention, une cristallisation dans laquelle la composition chimique des cristaux de symétrie cubique est identique à celle du verre de base à partir de laquelle elle est réalisée.Advantageously, the transparent glass may comprise at least 60% by weight, for example at least 70%, or at least 75%, or at least 80%, or at least 90% or 100% by weight relative to the total mass of the glass, of a composition of formula (I). Preferably, the transparent glass may comprise at least 75% by weight relative to the total mass of the glass, of a composition of formula (I). The crystallization step ii) may be a congruent crystallization in volume. For the purposes of the present invention, the term "congruent crystallization" means a crystallization in which the chemical composition of the crystals of cubic symmetry is identical to that of the base glass from which it is made.
Elle peut par exemple être réalisée par traitement thermique du verre.It may for example be performed by heat treatment of the glass.
On entend par « traitement thermique d'un verre », au sens de la présente invention, un traitement thermique du verre permettant de le faire cristalliser de manière contrôlée. L’homme du métier peut adapter le temps et la température de recuit de manière à obtenir des céramiques et vitrocéramiques transparentes ou translucides selon ses connaissances générales. Le recuit peut par exemple être effectué à une température comprise entre la température de transition vitreuse du verre et sa température de cristallisation. Il peut s’agir par exemple d’une température comprise entre 350°C et 650°C, par exemple entre 450°C et 550°C. Il peut être effectué pendant un temps compris entre 15 minutes et 48 heures, par exemple entre 15 minutes et 6 heures, ou préférentiellement entre 30 minutes et 2 heures. Généralement, l’étape de cristallisation est plus longue pour l’obtention de céramiques que pour l’élaboration de vitrocéramiques. En effet, lors de la fabrication de vitrocéramiques, on ne laisse pas au verre le temps d’atteindre un taux de cirstallisation de 98%. L’étape de recuit peut être réalisée par tout procédé de chauffage connu de l’homme du métier, par exemple un chauffage dans un four classique, par exemple un four à convection et/ou équipé de résistances chauffantes.For the purposes of the present invention, the term "heat treatment of a glass" means a heat treatment of the glass making it possible to crystallize it in a controlled manner. Those skilled in the art can adapt the annealing time and temperature so as to obtain transparent or translucent ceramics and glass-ceramics according to his general knowledge. The annealing may for example be carried out at a temperature between the glass transition temperature of the glass and its crystallization temperature. It may be for example a temperature between 350 ° C and 650 ° C, for example between 450 ° C and 550 ° C. It can be carried out for a time of between 15 minutes and 48 hours, for example between 15 minutes and 6 hours, or preferably between 30 minutes and 2 hours. Generally, the crystallization step is longer for obtaining ceramics than for the production of glass-ceramics. In fact, during the manufacture of glass-ceramics, the glass is not allowed to reach a cure rate of 98%. The annealing step may be carried out by any heating method known to those skilled in the art, for example heating in a conventional oven, for example a convection oven and / or equipped with heating resistors.
Les céramiques et vitrocéramiques de l’invention étant préparées par un traitement thermique du verre, elles ont donc avantageusement la même composition que le verre dont elles dérivent.The ceramics and glass-ceramics of the invention being prepared by a heat treatment of the glass, they therefore advantageously have the same composition as the glass from which they are derived.
Un procédé de préparation de céramiques et/ou vitrocéramiques incluant une étape de cristallisation d'un verre peut être désigné par l’expression « procédé verrier ».A method of preparing ceramics and / or glass-ceramics including a step of crystallizing a glass may be referred to as the "glassmaking process".
En outre, les céramiques et vitrocéramiques transparentes préparées par un procédé verrier peuvent être mises en forme facilement. En effet, le procédé verrier employé pour leur fabrication permet de réaliser, par coulée dans un moule, des pièces de formes très variées et de grandes dimensions.In addition, transparent ceramics and glass-ceramics prepared by a glass-making process can be shaped easily. Indeed, the glass process used for their manufacture makes it possible, by casting in a mold, pieces of very varied shapes and large dimensions.
De préférence, les verres, céramiques et vitrocéramiques de la présente invention ne comprennent pas de fluorures, d’oxyfluorures ni de sulfures, mais uniquement des oxydes. Avantageusement, cela permet de réaliser des synthèses sous air et non sous atmosphère contrôlée comme nécessaire pour les fluorures ou sulfures. Avantageusement, les céramiques à base d’oxydes présentent ainsi une meilleure durabilité chimique.Preferably, the glasses, ceramics and glass-ceramics of the present invention do not include fluorides, oxyfluorides or sulphides, but only oxides. Advantageously, this makes it possible to synthesize under air and not in a controlled atmosphere as necessary for fluorides or sulfides. Advantageously, the ceramics based on oxides thus have better chemical durability.
Un autre objet de l’invention se rapporte à une céramique et/ou une vitrocéramique susceptible d’être obtenue par la mise en oeuvre du procédé de l’invention.Another subject of the invention relates to a ceramic and / or a glass-ceramic which can be obtained by the implementation of the method of the invention.
Un autre objet de l’invention se rapporte à l’utilisation d’un verre comprenant au moins 60% massique d’une composition de formule (I) par rapport à la masse totale du verre, pour la préparation d’une céramique ou d’une vitrocéramique optiquement translucide et/ou transparente dans le visible et l’infrarouge.Another subject of the invention relates to the use of a glass comprising at least 60% by weight of a composition of formula (I) relative to the total mass of the glass, for the preparation of a ceramic or an optically translucent and / or transparent glass ceramic in the visible and the infrared.
Avantageusement, le verre transparent peut comprendre au moins 60% massique, par exemple au moins 70%, ou au moins 75%, ou au moins 80%, ou au moins 90% ou 100% massique par rapport à la masse totale du verre, d’une composition de formule (I). De préférence, le verre transparent peut comprendre au moins 75% massique par rapport à la masse totale du verre, d’une composition de formule (I).Advantageously, the transparent glass may comprise at least 60% by weight, for example at least 70%, or at least 75%, or at least 80%, or at least 90% or 100% by weight relative to the total mass of the glass, of a composition of formula (I). Preferably, the transparent glass may comprise at least 75% by weight relative to the total mass of the glass, of a composition of formula (I).
Un autre objet de l’invention se rapporte à un produit comprenant un matériau optiquement translucide et/ou transparent dans les domaines visible et infrarouge de l’invention. Le produit peut être choisi parmi une fibre optique, une lentille, une fibre laser, notamment un micro-laser, un système opto-électronique, comme un amplificateur de signal ou un guide d’onde optique, et un scitillateur.Another object of the invention relates to a product comprising an optically translucent and / or transparent material in the visible and infrared domains of the invention. The product may be chosen from an optical fiber, a lens, a laser fiber, in particular a micro-laser, an opto-electronic system, such as a signal amplifier or an optical waveguide, and a scitillator.
Un autre objet de l’invention se rapporte à l’utilisation d’un matériau selon l’invention, pour la fabrication de matériaux optiques. Il peut s’agir par exemple de composants optiques actifs ou passifs. Il peut s’agir notamment de matériaux utilisés dans l’imagerie médicale, l’éclairage, l’inscription laser ou en tant que lentille, cette liste n’étant pas limitative. D’autres avantages pourront encore apparaître à l’homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre illustratif.Another object of the invention relates to the use of a material according to the invention, for the manufacture of optical materials. It may be, for example, active or passive optical components. This may include materials used in medical imaging, lighting, laser marking or as a lens, this list is not limiting. Other advantages may still appear to those skilled in the art on reading the examples below, illustrated by the appended figures, given for illustrative purposes.
Brève description des figuresBrief description of the figures
La figure 1 représente la courbe de transmission optique d’un verre de composition 75Te02-12,5Bi203-12,5Nb205 chauffé 1h30 à 510°C. L’axe des abscisses représente la longueur d’onde en nm, et l’axe des ordonnées représente la transmittance exprimée en %. La photographie de cette céramique est représentée en insert.FIG. 1 represents the optical transmission curve of a glass of composition 75 TeO 2 - 12.5Bi 2 O 3 - 12.5Nb 2 O 5 heated for 1 h 30 at 510 ° C. The abscissa axis represents the wavelength in nm, and the ordinate axis represents the transmittance expressed in%. The photograph of this ceramic is represented in insert.
La figure 2 représente le thermogramme obtenu par calorimétrie différentielle à balayage d’un verre de composition 75Te02-12,5Bi203-12,5Nb20s avec une cinétique de chauffage à 10°C/min. L’axe des abscisses représente la température (exprimée en degrés Celsius) et l’axe des ordonnées représente le flux de chaleur (u.a.).FIG. 2 shows the differential scanning calorimetry thermogram of a glass of composition 75 TeO 2 - 12.5Bi 2 O 3 - 12.5Nb 2 O 5 with heating kinetics at 10 ° C / min. The x-axis represents the temperature (in degrees Celsius) and the y-axis represents the heat flux (u.a.).
La figure 3 représente les diffractogrammes des rayons X d’un verre de composition 75Te02-12,5Bi203-12,5Nb205 traité à différentes températures (30°C, 380°C, 400X, 420°C, 440°C, 460°C, 480X, 500X, 520°C, 540°C, 560°C).FIG. 3 represents the X-ray diffractograms of a glass of composition 75 TeO 2 - 12.5Bi 2 O 3 - 12.5Nb 2 O 5 treated at different temperatures (30 ° C., 380 ° C., 400 ×, 420 ° C., 440 ° C., 460 ° C. , 480X, 500X, 520 ° C, 540 ° C, 560 ° C).
La figure 4 représente l’observation par microscopie électronique à balayage de la surface d’une céramique de composition 75Te02-12,5Bi203-12,5Nb20s chauffée 1h30 à 51OX.FIG. 4 represents the observation by scanning electron microscopy of the surface of a ceramic of composition 75 TeO 2 -12.5Bi 2 O 3 -12.5Nb 2 O.sub.2, heated for 1h30 to 51O.sup.-1.
EXEMPLESEXAMPLES
Exemple 1 : Fabrication d’un verre de composition (Bi203)12,5(Nb20s)12,5(Te02)75Example 1 Manufacture of a Glass of Composition (Bi203) 12.5 (Nb20s) 12.5 (TeO2) 75
Ce verre est préparé par fusion des matières premières entrant dans sa composition conduisant à un liquide, suivi d’une solidification de ce liquide par refroidissement.This glass is prepared by melting the raw materials used in its composition leading to a liquid, followed by solidification of this liquid by cooling.
Pour cela, les différentes matières sont pesées dans les proportions stoechiométriques puis intimement mélangées par broyage manuel à l’aide d’un mortier et d’un pilon. Ce mélange est ensuite placé dans un creuset de platine pour être ensuite fondu à une température de 850°C pendant 1 heure dans un four équipé de résistances chauffantes.For this, the different materials are weighed in stoichiometric proportions and intimately mixed by manual grinding with a mortar and pestle. This mixture is then placed in a platinum crucible and then melted at a temperature of 850 ° C for 1 hour in an oven equipped with heating resistors.
Le liquide ainsi obtenu est coulé dans un moule en laiton préalablement chauffé à 300°C. Ce refroidissement rapide (trempe) permet la solidification du liquide.The liquid thus obtained is cast in a brass mold preheated to 300 ° C. This rapid cooling (quenching) allows the solidification of the liquid.
Le verre ainsi obtenu est placé dans un four de recuit à une température Tg-10°C (avec Tg la température de transition vitreuse) pendant 2 heures puis la température est redescendue à 20°C en 5 heures afin de pouvoir libérer les contraintes mécaniques contenues dans le verre lors de sa trempe. Ainsi le verre peut être découpé et poli pour d’éventuelles caractérisations (optiques, mécaniques, thermiques).The glass thus obtained is placed in an annealing furnace at a temperature Tg-10 ° C (with Tg the glass transition temperature) for 2 hours and then the temperature is reduced to 20 ° C in 5 hours in order to be able to release the mechanical stresses. contained in the glass during its quenching. Thus the glass can be cut and polished for possible characterizations (optical, mechanical, thermal).
Exemple 2 : Fabrication de la céramique transparente de composition(Bi203)12,5(Nb205)12,5(Te02)75Example 2: Manufacture of transparent ceramic composition (Bi203) 12.5 (Nb205) 12.5 (TeO2) 75
Le verre préalablement synthétisé est cristallisé lors d’un traitement thermique de 1H30 à 510°C dans un four classique. Le matériau ainsi obtenu est poli optiquement afin d’avoir des surfaces exemptes de défauts et présente ainsi une haute transparence.The previously synthesized glass is crystallized during a heat treatment of 1H30 at 510 ° C in a conventional oven. The material thus obtained is optically polished so as to have surfaces free from defects and thus has a high transparency.
La figure 1 représente la courbe de transmission optique de la céramique ainsi obtenue (épaisseur de l’échantillon : 1,7 mm).FIG. 1 represents the optical transmission curve of the ceramic thus obtained (thickness of the sample: 1.7 mm).
La figure 4 représente l’observation par microscopie électronique à balayage de la surface de la céramique chauffée 1h30 à 510°C. La surface de cette céramique a été au préalable traitée chimiquement à l’acide afin de révéler le joints de grains.Figure 4 shows the observation by scanning electron microscopy of the surface of the ceramic heated 1h30 to 510 ° C. The surface of this ceramic was previously chemically treated with acid to reveal the grain boundaries.
Listes des références 1. Bertrand et al. : « New Transparent Glass-Ceramics Based on the Crystallization of “Anti-glass” Spherulites in the Bi203-Nb205-Te02 System”, Crystal Growth and Design, September4, 2015. 2. Bertrand et al. (« A Comprehensive Study of the Carbon Contamination in Tellurite Glasses and Glass-Ceramics Sintered by Spark Plasma Sintering (SPS)”, J. Am. Ceram. Soc., 97 [1] 163-172 (2013). 3. WO201276527.List of references 1. Bertrand et al. : "New Transparent Glass-Ceramics Based on the Crystallization of" Anti-glass "Spherulites in the Bi203-Nb205-Te02 System", Crystal Growth and Design, September 4, 2015. 2. Bertrand et al. (A) Comprehensive Study of the Carbon Contamination in Tellurite Glasses and Glass-Ceramics by Spark Plasma Sintering (SPS) ", J. Am., Ceram Soc., 97 [1] 163-172 (2013) 3. WO201276527.
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