FR3122424A3 - Procede de fabrication de materiau de sic fritte tres pur et dense - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d’un matériau fritté polycristallin de carbure de silicium très pur et dense comprenant a) la préparation d'une charge minérale de départ comportant en masse au moins 95% d’une poudre de particules de carbure de silicium sous forme cristalline beta, de teneur massique en SiC supérieure à 99% et de taille médiane comprise entre 0,1 et 5 micromètres ; un additif de frittage en phase solide comprenant un élément choisi parmi l’aluminium, le bore, le fer, le titane, le chrome, le magnésium ou le zirconium, dans une quantité telle que l’apport en ledit élément représente entre 0,1 et 0,8% de la masse totale desdites particules de carbure de silicium, entre 0,5 et 3% d’ajout d’une source de carbone; b) une mise en forme de la charge de départ sous la forme d'une préforme et c) frittage en phase solide de ladite préforme sous une pression ou une charge supérieure à 60MPa et à une température supérieure à 1800°C et inférieure à 2100°C sous atmosphère azotée.
Description
L’invention se rapporte à un matériau fritté à base de carbure de silicium (SiC)de grande pureté et de forte densité et plus particulièrement d’un procédé de fabrication d’un tel matériau.
Les matériaux de carbure de silicium sont connus depuis longtemps pour leur grande dureté et leur forte inertie chimique, leur résistance thermique, mécanique et leur conductivité thermique élevées. Ceci en fait des candidats de choix pour des applications telles que des composants d’outils de coupe ou d’usinage ; des composants de turbines ou des éléments de pompes soumis à une forte abrasion ; des valves de conduites transportant des produits corrosifs ; des supports et des membranes destinées à la filtration ou à la dépollution de gaz ou de liquides ; des revêtements de fours et des supports de cuisson; des échangeurs de chaleur et des absorbeurs solaires ; des revêtements ou des supports de traitement thermochimique de réacteurs, notamment pour la gravure, ou des substrats destinés à l’industrie de l’électronique; des éléments ou des résistances chauffantes ; des capteurs de température ou de pression élevées ou pour des environnements très agressifs ; des allumeurs voire des suscepteurs magnétiques plus résistants à l’oxydation que ceux en graphite ; voire même certaines applications particulières telles que les miroirs ou d’autres dispositifs dans le domaine de l’optique.
Cependant l’obtention par frittage d’un matériau de carbure de silicium polycristallin de très forte densité (c’est à dire de densité relative supérieure à 99%) et de grande pureté (c’est à dire de teneur massique en SiC supérieure à 98,5%, voire supérieure à 99,0% de SiC) reste un défi technique.
On connait depuis longtemps des méthodes permettant d’obtenir un corps céramique dense de carbure de silicium sans recourir à des additifs de frittage, ceux-ci formant une phase liquide préjudiciable pour le comportement mécanique à très haute température (>1500°C).
US4004934 par exemple dévoile un procédé de frittage en phase solide sans pression à une température entre 1900 et 2100°C d’une préforme obtenue par pressage à froid d’un mélange comprenant une poudre très pure de SiC sous forme cristalline beta avec un ajout de carbone sous forme d’une résine phénolique représentant en masse entre 0,1 à 1,0% de cet élément par rapport au SiC et un composé de bore représentant en masse entre 0,3 à 3,0% de cet élément par rapport au SiC.
Plus récemment US2006/0019816 a proposé un procédé de fabrication partant d’une barbotine comprenant des particules de carbure de silicium, d’une source de carbone sous forme d’une résine soluble dans l’eau représentant en masse 2 à 10% de celle de SiC et d’une source de bore, par exemple du carbure de bore, représentant en masse 0,5 à 2% de celle de SiC.
Plus récemment WO2019132667A1 a proposé une méthode d’élaboration d’un mélange homogène par co-broyage en milieu aqueux de 94% de particules de SiC alpha, 1% de particules de carbure de bore et 5% d’une source de carbone permettant d’atteindre, après atomisation coulage et frittage sans charge sous argon et à plus de 2100°C, un corps fritté présentant une densité relative de 96 à 98%.
Ces solutions ne permettent cependant pas d’obtenir un matériau final dont la teneur est supérieure à 98,5% voire supérieure à 99% de SiC, compte-tenu de la teneur de bore et des impuretés inévitables liées aux poudres de départ.
La publication « Densification of additive-free polycristalline β-SiC by spark-plasma sintering” » parue dans Ceramic International 38(2012) 45-53 de Ana Lara et al. montre qu’il est possible d’obtenir un matériau de très grande pureté et une densité relative de 98% à 2100°C par frittage SPS sans aucun additif, en partant d’une poudre de SiC beta ultrapure mais dont la taille est nanométrique, les particules ou cristallites présentant une taille médiane de 10 nanomètres. L’emploi d’une telle poudre pose de nombreux problèmes de manipulation et rend un tel procédé difficile à industrialiser.
Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication industrialisable d’un matériau de SiC fritté présentant une densité relative supérieure à 98%, de préférence supérieure à 98,5%, voire même supérieure à 99%, et une teneur massique en SiC supérieure à 99%, hormis le carbone libre.
Il a été mis en évidence par les travaux de la société déposante, décrits ci-après, une combinaison en termes de composition, de formulation de mélange et de technique de frittage, permettant d’atteindre un tel objectif.
L’invention se rapporte plus particulièrement selon un premier aspect à un procédé de fabrication d’un matériau fritté polycristallin de carbure de silicium comprenant les étapes suivantes :
- Préparation d'une charge minérale de départ comprenant, et de préférence essentiellement constitué par, en masse :
-au moins 95%, de préférence au moins 97%, de particules de carbure de silicium, sous forme d’une poudre dont la taille médiane est comprise entre 0,1 et 5 micromètres et de teneur massique en SiC supérieure à 95%, de préférence supérieure à 97%, poudre dans laquelle la forme cristallographique béta représente plus de 90%, de préférence plus de 95%, de la masse totale du carbure de silicium, et
-au moins un additif de frittage en phase solide, de préférence sous forme d’une poudre, comprenant un élément choisi parmi l’aluminium, le bore, le fer, le titane, le chrome, le magnésium ou le zirconium, de préférence choisi parmi B ou Zr, de préférence encore B, de préférence de pureté supérieure à 98% en masse, dans une quantité telle que l’apport en ledit élément représente entre 0,1 et 0,8%, de préférence entre 0,2 et 0,7%, de la masse totale desdites particules de carbure de silicium,
- entre 0,5 et 3% d’une source de carbone dont la teneur élémentaire en carbone (C) est supérieure à 99% en masse, de préférence sous forme d’une poudre de graphite ou de carbone non cristallisé ou amorphe dont le diamètre médian est inférieur à 1 micromètre,
b) Mise en forme de la charge de départ sous la forme d'une préforme, de préférence par coulage,
c) Frittage en phase solide de ladite préforme sous une charge supérieure à 60MPa, de préférence supérieure à 75MPa, voire même supérieure à 80 Mpa, à une température supérieure à 1800°C et inférieure à 2100°C et sous atmosphère azotée, de préférence sous diazote.
Selon d’autres caractéristiques additionnelles optionnelles et avantageuses dudit procédé :
- La teneur massique en carbone libre ou résiduel de la poudre de particules de carbure de silicium est inférieure à 3%, de préférence inférieure à 2%, de préférence inférieure à 1,5%. De préférence le carbone libre est présent dans le carbure de silicium de la poudre uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
- La teneur massique en silice libre ou résiduelle de la poudre de particules de carbure de silicium est inférieure à 2%, de préférence inférieure à 1,5%, de préférence inférieure à 1%.
- La teneur massique en silicium libre ou résiduel de la poudre de particules de carbure de silicium est inférieure à 0,5%, de préférence inférieure à 0,1%.
- De préférence la silice libre est présente uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
- La teneur massique en élément aluminium (Al), sous forme métallique et non métallique, de la poudre de particules de carbure de silicium est inférieure à 0,2%. De préférence l’aluminium est présent uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
- La teneur massique de la poudre de particules de carbure de silicium en la somme des éléments sodium (Na) + Calcium (Ca) + Potassium (K)+ Magnésium (Mg) est inférieure à 0,2%. De préférence lesdits éléments sont présents uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
- La teneur massique de la poudre de particules de carbure de silicium en la somme des teneurs élémentaires en aluminium (Al), alcalins, alcalino-terreux, et en terres rares, est inférieure à 0,5%. Les éléments de terre rare sont Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu. De préférence tous ces éléments sont présents uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
- L’élément compris dans l’additif de frittage est de préférence le bore. De préférence l’additif de frittage est une poudre de carbure de bore.
- L’élément compris dans l’additif de frittage est selon un mode particulier le zirconium. De préférence, l’additif de frittage est une poudre de carbure de zirconium. Selon un mode possible, l’additif de frittage est une poudre de borure de zirconium.
- le diamètre médian de la poudre de frittage est inférieur à 2 micromètres, de préférence inférieur à 1 micromètre.
- La surface spécifique de la poudre de carbure de silicium sous forme cristalline beta est supérieure à 5 cm²/g et/ou inférieure à 30 cm²/g.
- La poudre de carbure de silicium sous forme cristalline beta est bimodale et présente deux pics, de préférence encore un premier pic dont le maximum est compris entre 0,2 et 0,4 micromètres et un deuxième pic dont le maximum est compris entre 2 et 4 micromètres.
Toute technique de mise en forme connue de l’homme du métier peut être appliquée en fonction de la dimension de la pièce à réaliser dès lors que toutes les précautions sont prises pour éviter la contamination de la préforme. Ainsi le coulage en moule plâtre peut être adapté en utilisant des médias de graphite entre le moule et la préforme ou des huiles évitant un contact trop intime et une abrasion du moule par le mélange et finalement une contamination de la préforme. Ces précautions d’usage maîtrisées par l’homme du métier sont aussi applicables à d’autres étapes du procédé. Ainsi lors du frittage le moule ou la matrice employée contenant la préforme sera de préférence en graphite.
Les techniques de pressage à chaud (ou « Hot Pressing »), de pressage isostatique à chaud (ou « Hot Isostatique Pressing ») ou de SPS (« Spark Plasma Sintering ») sont particulièrement adaptées. De préférence, le frittage sous charge est réalisé par SPS, ce procédé de frittage mettant en œuvre un chauffage par induction réalisé par le passage direct du courant dans une matrice en graphite dans laquelle est placée la préforme. La vitesse moyenne de montée en température est de préférence supérieure à 10 et inférieure 100 °C/minute. Le temps de palier à la température maximale est de préférence supérieur à 10 minutes. Ce temps peut être plus long en fonction du format de la préforme et de la charge du four.
L’azote utilisé pour l’atmosphère de frittage à l’étape c) est de pureté supérieure à 99,99%, voire même supérieure à 99,999% en volume.
Selon un mode de réalisation possible un ajout optionnel de carbone peut être réalisé selon un ratio massique compris entre 0,15 et 0,25 fois la teneur massique en silice libre de ladite poudre de carbure de silicium de la charge de départ afin de former du carbure de silicium par réaction et éliminer ainsi cette silice libre.
De préférence, l’ajout de carbone représente moins de 3% de carbone élémentaire(C) en masse par rapport à celle de carbure de silicium de la charge minérale de départ.
Selon un autre mode possible du silicium (de préférence sous forme de poudre métallique dont la teneur élémentaire en silicium (Si) est supérieure à 99% en masse et dont le diamètre médian est de préférence inférieur à 1 micromètre) peut optionnellement être ajouté à la charge de départ selon un ratio massique compris entre de 1,5 et 2,5 fois la teneur massique en carbone libre de ladite poudre de carbure de silicium sous forme cristalline beta de départ afin de former du carbure de silicium par réaction et éliminer ainsi ce carbone libre.
De préférence, l’ajout de silicium représente moins de 2% en masse de silicium élémentaire (Si) en masse par rapport à celle de carbure de silicium de la charge minérale de départ.
L’invention se rapporte également à un matériau polycristallin constitué de grains frittés de carbure de silicium susceptible d’être fabriqué par le procédé précédemment décrit, dont la porosité totale représente moins de 2%, de préférence moins de 1,4%, de préférence moins de 1,2%, de manière plus préférée moins de 1%, en pourcentage volumique dudit matériau et dont la teneur massique en carbure de Silicium (SiC) est d’au moins de 99%, hormis le carbone libre, le rapport massique de la teneur en SiC sous forme cristallographique beta (β) sur la teneur en SiC sous forme cristallographique alpha (α) dudit matériau étant inférieur à 2. Ledit matériau polycristallin est constitué de grains de carbure de silicium ayant un diamètre équivalent médian compris entre 1 et 10 micromètres.
Selon d’autres caractéristiques additionnelles optionnelles et avantageuses dudit matériau :
-la teneur massique élémentaire d’oxygène (O) dudit matériau est inférieure à 0,5%, de préférence inférieure à 0,4%, voire même inférieure à 0,3%. De préférence l’oxygène est présent dans le matériau uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
-la teneur élémentaire totale de Sodium (Na) + Potassium (K) + Calcium (Ca), en cumulé, est inférieure à 0,5% de la masse dudit matériau. De préférence le sodium le potassium et le calcium sont présents dans le matériau uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
-la somme des teneurs massiques élémentaires en aluminium (Al), alcalins, alcalino-terreux, en terre rares, comprenant au moins un élément choisi parmi Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu, est inférieure à 0,5% de la masse dudit matériau. De préférence lesdits éléments sont présents dans le matériau uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
-la teneur massique élémentaire en bore (B) dudit matériau est supérieure à 0,1% et/ou inférieure à 0,7% de préférence inférieure à 0,6% en pourcentage massique dudit matériau. Selon un mode possible, la teneur massique élémentaire en bore (B) est inférieure à 0,5% en pourcentage massique dudit matériau.
-la teneur massique élémentaire en Zirconium (Zr) dudit matériau est supérieure à 0,1% et/ou inférieure à 0,7% de préférence inférieure à 0,6% en pourcentage massique dudit matériau. Selon un mode possible, la teneur massique élémentaire en zirconium est inférieure à 0,5% en pourcentage massique dudit matériau.
- la teneur élémentaire en Molybdène (Mo) est inférieure à 0,2% de la masse dudit matériau, de préférence inférieure à 0,1% de la masse dudit matériau.
- la teneur élémentaire en Titane (Ti) est inférieure à 0,5% de la masse dudit matériau, de préférence à 0,2%, de préférence inférieure à 0,1% de la masse dudit matériau.
-la teneur massique élémentaire d’azote (N) dudit matériau est comprise entre 0,05 et 0,5%, de préférence supérieure à 0,1 et/ou inférieure à 0,3%.
-la teneur élémentaire en fer (Fe) représente moins de 0,5% de la masse dudit matériau. De préférence le fer est présent dans le matériau uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
-le silicium sous une autre forme que le carbure de silicium SiC représente moins de 1% de la masse dudit matériau. De préférence le silicium sous une autre forme que le carbure de silicium SiC est présent dans le matériau uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
-Le carbone sous une autre forme que le carbure de silicium SiC représente moins de 2% de la masse dudit matériau.
-La teneur massique en carbone libre ou résiduel dudit matériau est inférieure à 1,5%, de préférence inférieure à 1,0%.
-De préférence le carbone sous une autre forme que le carbure de silicium SiC est présent dans le matériau uniquement sous forme d’impuretés inévitables.
-La teneur massique en silice libre ou résiduelle dudit matériau est inférieure à 1,5%, de préférence inférieure à 1,0%, de préférence inférieure à 0,5%.
-La teneur massique en silicium libre ou résiduel dudit matériau est inférieure à 0,5%, de préférence inférieure à 0,1%.
-le SiC représente plus de 97%, de préférence plus de 98% de la masse dudit matériau, y compris le carbone libre.
-le rapport massique de la teneur en SiC sous forme cristallographique beta (β) sur la teneur en SiC sous forme cristallographique alpha (α) SiC dudit matériau est inférieur à 1,5, de préférence inférieur à 1, voire même inférieur à 0,3 voire même inférieur à 0,2 voire inférieur à 0,1.
- le rapport massique de la teneur en SiC sous forme cristallographique beta (β) sur la teneur en SiC sous forme cristallographique alpha (α) SiC dudit matériau est supérieure à 0,01, de préférence encore supérieure à 0,02.
-Ledit matériau comprend plus de 1% massique de SiC sous forme cristallographique beta, de préférence plus de 3% massique de SiC sous forme cristallographique beta, par rapport à la masse totale des phases cristallisées dans le matériau.
-le SiC sous forme cristallographique beta (β) représente de préférence moins de 50% de la masse des phases cristallines dudit matériau.
-les grains de carbure de silicium représentent au moins 98% de préférence 99% en masse dudit matériau, le reste étant constitué par une phase intergranulaire résiduelle comprenant, de préférence étant constituée essentiellement, des éléments Si et C.
-Dans le matériau selon l’invention, de l’azote peut être présent dans les grains par insertion dans le réseau cristallin du SiC.
-en volume dudit matériau, hormis sa porosité, plus de 90%, de préférence plus de 95% des grains constitutifs dudit matériau ont un diamètre équivalent compris entre 1 et 10 micromètres, de préférence compris entre 1 et 8 micromètres.
-en volume plus de 90%, de préférence plus de 95%, de manière encore plus préférée tous les grains de carbure de silicium sous forme cristalline alpha ont un diamètre équivalent inférieur à 10 micromètres.
Selon un mode possible, l’invention concerne en particulier un matériau céramique polycristallin constitué de grains frittés de diamètre équivalent médian compris entre 1 et 10 micromètres, ledit matériau ayant une porosité totale inférieure à 2% en pourcentage volumique dudit matériau et une teneur massique en carbure de Silicium (SiC) d’au moins de 99%, hormis le carbone libre, et présentant la composition élémentaire suivante, en masse :
-moins de 0,5% de silicium sous une autre forme que le SiC,
-moins de 2,0% de carbone sous une autre forme que le SiC, de préférence moins de 1,5% de carbone sous une autre forme que le SiC, en particulier entre 0,5 et 1,5% de carbone sous une autre forme que le SiC et
- entre 0,1 et 0,7%, au total, d’au moins un élément choisi parmi, Al, B, Fe, Ti, Cr, Mg, Zr, de préférence ledit élément étant B, Zr ou Ti, de préférence l’élément étant B,
-moins de 0,5% d’oxygène(O), et
-moins de 0,5% au total des éléments Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu, et
-moins de 0,5% d’éléments alcalins, et
-moins de 0,5% d’alcalino-terreux, et
-entre 0,05 et 1% d’azote (N),
-les autres éléments formant le complément à 100%.
et dans lequel le rapport massique de la teneur en SiC sous forme cristallographique beta (β) sur la teneur en SiC sous forme cristallographique alpha (α) dudit matériau étant inférieur à 2.
L’invention se rapporte également à un dispositif comprenant au moins une pièce constituée dudit matériau tel que précédemment décrit, ledit dispositif étant choisi parmi : une turbine, une pompe une valve ou un système de conduite de fluide, un échangeur de chaleur ; un absorbeur solaire ou un dispositif pour récupérer la chaleur ou réfléchir la lumière, un revêtement réfractaire de four, un support de cuisson, un creuset de fusion de métal, une pièce de protection contre l’abrasion, un outil de coupe, une plaquette ou un disque de frein, un radôme, un revêtement ou un support de traitement thermochimique, par exemple de gravure, un substrat pour dépôt de couches actives destiné à l’industrie de l’optique et/ ou de l’électronique ; un élément ou une résistance chauffants ; un capteur de température ou de pression ; un allumeur; un suscepteur magnétique.
Définitions :
On donne les indications et définitions suivantes, en relation avec la description précédente de la présente invention :
-Par matériau polycristallin, on entend un matériau présentant plusieurs orientations cristallines ou des cristaux d’orientation cristalline différente.
-Dans le matériau céramique fritté, les grains représentent ensemble l’essentiel de la masse dudit matériau, la phase intergranulaire constituée éventuellement d’une phase céramique et/ou métallique ou de carbone résiduel représentant avantageusement moins de 5% de la masse dudit matériau. A la différence d’un frittage dit en phase liquide, le processus de cuisson du matériau selon l’invention est essentiellement réalisé en phase solide, c’est-à-dire qu’il s’agit d’un frittage dans lequel les additifs ajoutés permettant le frittage ou le niveau des impuretés éventuellement présentes ne permettent pas de former une phase liquide en une quantité telle qu'elle soit suffisante pour permettre le réarrangement des grains et les amener ainsi au contact les uns des autres. Un matériau obtenu par frittage en phase solide est communément appelé « fritté en phase solide ».
-Par additif de frittage, souvent plus simplement appelé «additif», on entend dans la présente description un composé connu habituellement pour permettre et/ou accélérer la cinétique de la réaction de frittage.
-On entend par carbure de silicium (ou SiC) le produit de la réaction entre une source de silicium et une source de carbone, tel que mélangé dans des proportions stœchiométriques en silicium élémentaire Si et en carbone élémentaire C. Le produit de cette réaction, à une température inférieure à 1600°C et sous atmosphère non oxydante, est essentiellement du carbure de silicium sous forme cristallographique béta.
Il est entendu par une poudre de particules de carbure de silicium essentiellement sous forme cristalline beta une poudre pour laquelle la forme cristallographique 3C ou cubique représente plus de 90%, et de préférence plus de 95%, en masse de carbure de silicium. Les formes cristallographiques alpha du carbure de silicium étant principalement les phases hexagonales ou rhomboédriques : 3H ; 4H ; 6H et 15R.
On entend par « hormis le carbone libre » l’ensemble des constituants du matériau autre que le carbone libre.
Par impuretés on entend les constituants inévitables, involontairement et nécessairement introduits avec les matières premières ou résultant des réactions entre les constituants. Les impuretés ne sont pas des constituants nécessaires mais seulement des constituants tolérés.
Les teneurs chimiques élémentaires du matériau fritté ou des poudres utilisées dans le mélange du procédé de fabrication dudit matériau sont mesurées selon les techniques bien connues de l’art. En particulier les teneurs en éléments tels que par exemple Al, B, Ti, Zr, Fe, Mo les terres rares, les alcalins et alcalino-terreux notamment peuvent être mesurées par fluorescence X, de préférence par ICP (« Induction Coupled Plasma »), selon les teneurs présentes en particulier par ICP si les teneurs sont inférieures à 0,5%, voire inférieures à 0,2% en particulier selon la norme ISO21068-3:2008 sur produit calciné à 750°C sous air jusqu’à reprise de poids. Les teneurs massiques en Silicium libre, la silice libre, le carbone libre et SiC peuvent être mesurées selon la norme ISO 21068-2:2008. Celles d’oxygène et d’azote sont déterminées notamment par LECO selon ISO21068-3:2008.
La composition en polytypes du SiC et la présence d’autres phases du matériau fritté ou des poudres utilisées dans le mélange du procédé de fabrication dudit matériau sont normalement obtenues par diffraction des rayons X et analyse de Rietveld. En particulier les pourcentages respectifs de phase SiC alpha et béta peuvent etre déterminés à l’aide de l’équipement D8 Endeavor de BRUKER en utilisant la configuration suivante :
-Acquisition : d5f80 : de 5° à 80° en 2θ, pas de 0,01°, 0,34s/pas, durée 46min
-Optique avant : Fente primaire 0,3° ; Fente de Soller 2,5°
-Porte échantillon : Rotation 5tours/min couteau automatique
-Optique arrière : Fente de Soller : 2,5° ; filtre nickel 0,0125mm ; PSD : 4°. Detecteur 1D (Current values).
Les diffractogrammes peuvent être analysés qualitativement avec le logiciel EVA et la base de données ICDD2016, puis ils ont été analysés quantitativement avec le logiciel HighScore Plus selon un affinement Rietveld.
Par diamètre équivalent de grain dans le matériau selon l’invention, on entend le diamètre d'une sphère de même volume que celui mesuré pour ledit grain. Il est de préférence déterminé par microtomographie. Par exemple, un échantillon de dimensions 1,5×1,5×8mm3est scanné dans un tomographe nanofoyer de manière à rapprocher au maximum l'échantillon de la source et ainsi obtenir une haute résolution de l'ordre de 1 µm3/voxel. Un temps d'acquisition d'environ 3h permet d'obtenir une reconstruction peu bruitée. L'image volumique obtenue constituée de différents niveaux de gris est binarisée, par exemple à l’aide d’un logiciel IMorph, afin d’individualiser les grains, la phase métallique et la porosité éventuelle. L’identification des grains peut être aussi réalisée par des techniques telles qu’un microscope électronique à balayage par analyse en électrons rétrodiffusés ou par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (ou EDS, abréviation de l’anglais «Energy Dispersive X-ray Spectroscopy»).
A partir du volume de chaque grain, il est possible de réaliser une distribution volumique des grains en pourcentage du volume de matériau analysé. Dans la présente demande, le pourcentage volumique des grains frittés constitutifs du matériau est exprimé par rapport au volume de matériau hormis sa porosité.
A partir de la distribution en volume des diamètres équivalent de grains, il est possible de déterminer le diamètre médian de grains du matériau. Ce diamètre médian (ou percentile D50) de grains correspond au diamètre divisant les grains en première et deuxième populations égales en volume, ces première et deuxième populations ne comportant que des grains présentant un diamètre équivalent supérieur, ou inférieur respectivement, au diamètre médian.
De la même manière que précédemment décrit, il est aussi possible de calculer le volume des phases intergranulaires éventuellement présentes.
La porosité totale (ou volume total de pores) du matériau selon l’invention correspond à la somme totale du volume de pores fermés et ouverts divisé par le volume du matériau. Elle est calculée selon le rapport exprimé en pourcentage de la masse volumique apparente mesurée selon ISO18754 sur la masse volumique absolue mesurée selon ISO5018.
Le diamètre médian des particules (ou la « taille » médiane) des particules constituant une poudre, peut être donnée par une caractérisation de distribution granulométrique, en particulier au moyen d’un granulomètre laser. La caractérisation de distribution granulométrique est réalisée classiquement avec un granulomètre laser conformément à la norme ISO 13320-1. Le granulomètre laser peut être, par exemple, un Partica LA-950 de la société HORIBA. Au sens de la présente description et sauf mention contraire, le diamètre médian des particules désigne respectivement le diamètre des particules au-dessous duquel se trouve 50% en masse de la population. On appelle « diamètre médian » ou « taille médiane » d’un ensemble de particules, en particulier d’une poudre, le percentile D50, c'est-à-dire la taille divisant les particules en première et deuxième populations égales en volume, ces première et deuxième populations ne comportant que des particules présentant une taille supérieure, ou inférieure respectivement, à la taille médiane.
Il est entendu par une poudre de particules de carbure de silicium sous forme cristalline beta une poudre pour laquelle la forme cristallographique 3C ou cubique représente plus de 95% en masse de carbure de silicium. Les formes cristallographiques alpha du SiC étant principalement les phases hexagonales ou rhomboédriques : 3H ; 4H ; 6H et 15R.
La surface spécifique est mesurée par la méthode B.E.T. (Brunauer Emmet Teller), décrite par exemple dans le Journal of American Chemical Society 60 (1938), pages 309 à 316.
Sauf indication contraire, dans la présente description, tous les pourcentages sont des pourcentages massiques.
Exemples de réalisation
On donne ci-après un exemple non limitatif permettant la réalisation d’un matériau selon l’invention, bien évidemment non limitatif également des procédés permettant d’obtenir un tel matériau et du procédé selon la présente invention ainsi que d’exemples comparatifs montrant les avantages de la présente invention.
Dans tous les exemples qui suivent, des corps céramiques sous la forme de cylindres de diamètre 30 mm et d’épaisseur 10 mm, ont été initialement réalisés par coulage dans un moule plâtre d’une barbotine selon différentes formulations reportées dans le tableau 1 ci-après à partir des matières premières suivantes :
1)une poudre de particules de carbure de silicium sous forme cristallographique essentiellement beta est présente une distribution bimodale avec un premier pic dont le maximum est situé à 0,3 micromètres et un deuxième pic de hauteur sensiblement deux fois plus élevé que le 1er, dont le maximum est situé à 3 micromètres selon une distribution non cumulée de taille mesurée par granulomètre laser en nombre. Le diamètre médian de la poudre bimodale est de 1,5 µm. Cette poudre de SiC présente les teneurs massiques élémentaires suivantes :
Sc+Y+La+Ce+Pr+Nd+Pm+Sm+Eu+Gd+Tb+Dy+Ho+Er+Tm+Yb+Lu <0,5%
Azote(N) <0,2% ; Na+K+Ca+Mg <0,2% ; Aluminium (Al)<0,1%
Fer(Fe) <0,05% ; Titane(Ti) <0,05% ; Molybdène(Mo) <0,05%.
Ses teneurs massiques en Carbone, Silice et Silicium libres sont respectivement inférieures à 2,0%, 1,0% et 0,1%. Sa teneur massique en phase beta SiC est supérieure à 95%.
2)une poudre de carbure de silicium sous forme cristallographique essentiellement alpha.
Elle présente une teneur en SiC alpha supérieure à 95% en masse. Ses teneurs massiques en Carbone, Silice et Silicium libres sont respectivement inférieures à 0,2%, 1,5% et 0,1%.
3)une poudre de noir de carbone (carbon black) fournie par Timcal sous le grade C65 de surface spécifique BET 62 m²/g.
4)une poudre de carbure de bore B4C fournie par H.C. Starck sous le grade HD-15 de diamètre médian 0,8 µm.
Des pastilles ainsi réalisées sont séchées à 50°C sous air. Les pastilles des exemples 1 et 2 (comparatifs) sont frittées dans un four sans pression à une température de 2150°C pendant 2h respectivement sous Argon et sous N2. Les pastilles des exemples 3 et 4 (selon l’invention) et de l’exemple 5 (comparatif) sont chargées dans un équipement pour procéder à un frittage de type SPS à 2000°C sous une charge de 85 Mpa (mégapascals) sous atmosphère de diazote.
La porosité totale des pièces obtenues après frittage est calculée en faisant la différence entre 100 et le rapport exprimé en pourcentage de la masse volumique apparente mesurée selon ISO18754 sur la masse volumique absolue mesurée selon ISO5018.
La teneur en silice libre (SiO2) est mesurée par attaque HF. Les teneurs en carbone libre, en oxygène et azote sont mesurées par LECO. Les autres teneurs élémentaires sont mesurées par fluorescence X et ICP.
Le silicium libre est mesuré par attaque à l’eau régale, suivie d’un titrage. Le pourcentage de SiC sous forme beta et le ratio de forme cristallographique β/α du SiC sont déterminés par analyse de diffraction aux rayons X selon la méthode décrite précédemment.
Les pourcentages volumiques de grains du matériau fritté sous forme alpha ou béta et leur diamètre ont été déterminés par analyse d’images issues d’observations EBSD.
L’installation est composée d’un détecteur EBSD Bruker e-FlashHR+ équipé du système d’imagerie FSE/BSE Argus et d’un détecteur EDX Bruker XFlash® 4010 possédant une surface active de 10 mm². Le détecteur EBSD est monté sur un des ports arrière du MEB FEI Nova NanoSEM 230 à canon à émission de champ avec un angle d’inclinaison de 10,6° par rapport à l’horizontale afin d’accroitre à la fois le signal EBSD et le signal EDX. Dans ces conditions, la distance de travail optimale WD (i.e., distance entre la pièce polaire du MEB et la zone analysée de l’échantillon) est d'environ 13 mm. Les détecteurs EBSD et EDS sont contrôlés par le logiciel ESPRIT (version 2.1). Des images FSE (à fort contraste cristallographique) et/ou BSE (à fort contraste de densité) ont été collectées à l'aide du système Argus en positionnant la caméra EBSD à une distance DD (distance détecteur échantillon) de 23 mm afin d'être moins sensible à la topographie de l'échantillon. Les mesures EBSD ont été effectuées en mode ponctuel et/ou cartographie. Pour cela, la caméra EBSD a été positionnée une distance DD de 17 mm afin d'augmenter le signal collecté.
Les caractéristiques et les propriétés obtenus selon les exemples 1 à 5 sont données dans le tableau 1 ci-après.
| Exemple 1 (comp.) |
Exemple 2 (comp.) |
Exemple 3 (inv.) |
Exemple 4 (inv.) |
Exemple 5 (comp.) |
|
| Formulation mélange en % massique | |||||
| Poudre de carbure de silicium beta | 97,9 | 97,9 | 97,9 | ||
| Poudre de carbure de silicium alpha | 97,3 | 97,9 | |||
| Poudre de carbone black | 2,0 | 1,4 | 1,4 | 1,4 | 1,4 |
| Poudre de B4C | 0,7 | 0,7 | 0,7 | 0,4 | 0,1 |
| total charge minérale | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| % eau/ solvant | +30% | ||||
| ajouts % par rapport à la masse de charge minérale : dispersant | +0,4% | ||||
| Frittage / Atmosphère Débit (L/min/m3de vol. de four) Température Pression interne avec / sans charge (Mpa) ou vide |
Ar 2 L/min 2150°C - sans charge |
N2 2 L/min 2150°C - sans charge |
N2 - 2000°C 900 mbar 85 MPa |
N2 - 2000°C 900 mbar 85 MPa |
N2 - 2000°C 900 mbar 85 MPa |
| Caractéristiques chimiques (en pourcentage massique du matériau céramique) | |||||
| SiC (hormis le C libre) | >99 | >99 | >99 | >99 | >99 |
| N | <0,1 | <0,1 | 0,11 | 0,10 | 0,11 |
| B | 0,55 | 0,55 | 0,55 | 0,31 | 0,08 |
| O | <0,25 | <0,25 | <0,25 | <0,25 | <0,25 |
| Na | <0,04 | <0,04 | <0,04 | <0,04 | <0,04 |
| K | <0,05 | <0,05 | <0,05 | <0,05 | <0,05 |
| Ca | <0,04 | <0,04 | <0,04 | <0,04 | <0,04 |
| Mg | <0,04 | <0,04 | <0,04 | <0,04 | <0,04 |
| Al | <0,3 | <0,3 | <0,3 | <0,3 | <0,3 |
| Mo | <0,1 | <0,1 | <0,1 | <0,1 | <0,1 |
| Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 |
| Fe | <0,03 | <0,03 | <0,03 | <0,03 | <0,03 |
| Ti | <0,05 | <0,05 | <0,05 | <0,05 | <0,05 |
| Silicium (métallique) libre | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 |
| Silice (SiO2) libre | <0,4 | <0,4 | <0,4 | <0,4 | <0,4 |
| Carbone (C) libre | 1,7 | 1,1 | 1,1 | 1,1 | 1,1 |
| Caractéristiques cristallographiques (en % massique des phases cristallisées du matériau céramique) | |||||
| βSiC (%) | N.D. | N.D. | 5 | 47 | 95 |
| Ratio massique βSiC /αSiC | # 0 | # 0 | <0,1 | 0,9 | >19 |
| Porosité totale (%) | 8,0 | 23,0 | 0,6 | 0,9 | 9,0 |
| Caractéristiques structurales par rapport au volume de matériau hormis sa porosité | |||||
| Diamètre médian équivalent des grains frittés en µm |
#7 | #7 | 5,5 | 3,5 | 2,1 |
| % volumique de grains de diamètre équivalent compris entre 1 et 10 µm |
>80 | >80 | 95 | >95 | >95 |
| Diamètre médian équivalent des grains frittés αSiC en µm |
#7 | #7 | 6,5 | <5 | <1 |
N.D. = Non détectable
Les exemples selon l’invention montrent qu’il est possible d’obtenir un matériau de carbure de silicium cristallisé à la fois très pur et très dense selon un procédé très spécifique comprenant le mélange de carbure de silicium SiC sous forme essentiellement béta, d’un ajout modéré d’additif de frittage, en présence de carbone, le frittage étant effectué sous charge et sous atmosphère d’azote pure.
Claims (17)
- Matériau fritté polycristallin de carbure de silicium constitué de grains de carbure de silicium ayant un diamètre équivalent médian compris entre 1 et 10 micromètres, ledit matériau ayant une porosité totale inférieure à 2% en pourcentage volumique dudit matériau et une teneur massique en carbure de Silicium (SiC) d’au moins de 99%, hormis le carbone libre, le rapport massique de la teneur en SiC sous forme cristallographique beta (β) sur la teneur en SiC sous forme cristallographique alpha (α) dudit matériau étant inférieur à 2.
- Matériau selon la revendication précédente, dans lequel ledit matériau comprend plus de 1% de SiC sous forme cristallographique beta par rapport à la masse totale des phases cristallisées dans le matériau.
- Matériau selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel en volume dudit matériau hormis sa porosité, plus de 90%, des grains ont un diamètre équivalent compris entre 1 et 10 micromètres.
- Matériau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel en pourcentage massique dudit matériau :
-la teneur massique d’oxygène(O) est inférieure à 0,5%,
-la somme des teneurs massiques élémentaires en aluminium (Al), alcalins, alcalino-terreux, en terre rares, comprenant au moins un élément choisi parmi Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu, est inférieure à 0,5%, et
-la teneur massique élémentaire d’azote (N) est comprise entre 0,05 et 0,5%. - Matériau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel dans lequel la teneur massique élémentaire en bore (B) est supérieure à 0,1% et inférieure à 0,7% en pourcentage massique dudit matériau.
- Matériau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rapport massique de la teneur en SiC sous forme cristallographique beta (β) sur la teneur en SiC sous forme cristallographique alpha (α) SiC dudit matériau est inférieur à 1.
- Matériau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les grains de carbure de silicium représentent au moins 98% de préférence 99% en masse dudit matériau, le reste étant constitué par une phase intergranulaire résiduelle comprenant, de préférence étant constituée essentiellement, des éléments Si et C.
- Matériau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel plus 90% en volume des grains de carbure de silicium sous forme cristalline alpha ont un diamètre équivalent inférieur à 10 micromètres.
- Matériau selon l’une des revendications précédentes, présentant la composition élémentaire suivante, en masse :
-moins de 0,5% de silicium sous une autre forme que le SiC,
-moins de 2,0% de carbone sous une autre forme que le SiC, de préférence moins de 1,5% de carbone sous une autre forme que le SiC et
- entre 0,1 et 0,7%, au total, d’au moins un élément choisi parmi Al, B, Fe, Ti, Cr, Mg, Zr, de préférence choisi parmi Zr, Ti ou B,
-moins de 0,5% d’oxygène(O), et
-moins de 0,5% au total des éléments Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu, et
-moins de 0,5% d’éléments alcalins, et
-moins de 0,5% d’alcalino-terreux, et
-entre 0,05 et 1% d’azote (N),
-les autres éléments formant le complément à 100%. - Procédé de fabrication d’un matériau fritté polycristallin de carbure de silicium selon l’une des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
- Préparation d'une charge minérale de départ comprenant en masse :
-au moins un additif de frittage en phase solide, de préférence sous forme d’une poudre, comprenant un élément choisi parmi l’aluminium, le bore, le fer, le titane, le chrome, le magnésium ou le zirconium, de préférence de pureté supérieure à 98% en masse, dans une quantité telle que l’apport en ledit élément représente entre 0,1 et 0,8%, de la masse totale desdites particules de carbure de silicium,
- entre 0,5 et 3% d’une source de carbone dont la teneur élémentaire en carbone (C) est supérieure à 99% en masse, de préférence sous forme d’une poudre de graphite ou de carbone non cristallisé ou amorphe dont le diamètre médian est inférieur à 1 micromètre,
b) Mise en forme de la charge de départ sous la forme d'une préforme, de préférence par coulage,
c) Frittage en phase solide de ladite préforme sous une charge supérieure à 60MPa et à une température supérieure à 1800°C et inférieure à 2100°C sous atmosphère azotée, de préférence sous diazote. - Procédé selon la revendication 10, dans lequel la teneur massique en carbone libre de la poudre de particules de carbure de silicium est inférieure à 2%.
- Procédé selon l’une des revendications 10 ou 11, dans lequel la teneur massique en silice libre de la poudre de particules de carbure de silicium est inférieure à 1%.
- Procédé selon l’une des revendications 10 à 12, dans lequel la teneur massique en silicium libre de la poudre de particules de carbure de silicium est inférieure à 0,5%.
- Procédé selon l’une des revendications 10 à 13, dans lequel la teneur massique de ladite poudre de particules de carbure de silicium en la somme des teneurs élémentaires en aluminium (Al), alcalins, alcalino-terreux, et terres rares, comprenant au moins un élément choisi parmi Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu, est inférieure à 0,5%.
- Procédé selon l’une des revendications 10 à 14, dans lequel l’élément compris dans l’additif de frittage est le bore.
- Procédé selon l’une des revendications 10 à 15, dans lequel l’étape de frittage en phase solide de ladite préforme est réalisée par SPS (« Spark Plasma Sintering »).
- Dispositif comprenant au moins une pièce constituée dans un matériau selon les revendications 1 à 9, ledit dispositif étant choisi parmi : une turbine, une pompe une valve ou un système de conduite de fluide, un échangeur de chaleur ; un absorbeur solaire ou un dispositif pour récupérer la chaleur ou réfléchir la lumière, un revêtement réfractaire de four, un support de cuisson, un creuset de fusion de métal, une pièce de protection contre l’abrasion, un outil de coupe, une plaquette ou un disque de frein, un radôme, un revêtement ou un support de traitement thermochimique, un substrat pour dépôt de couches actives destiné à l’industrie de l’optique et/ ou de l’électronique ; un élément ou une résistance chauffants ; un capteur de température ou de pression ; un allumeur; un suscepteur magnétique.
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Non-Patent Citations (2)
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| ANA LARA: "Densification of additive-free polycristalline (3-SiC by spark-plasma sintering", CERAMIC INTERNATIONAL, vol. 38, 2012, pages 45 - 53 |
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