WO2018077735A1 - Procede de traitement thermique d'une piece en materiau ceramique par micro-ondes - Google Patents

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WO2018077735A1
WO2018077735A1 PCT/EP2017/076818 EP2017076818W WO2018077735A1 WO 2018077735 A1 WO2018077735 A1 WO 2018077735A1 EP 2017076818 W EP2017076818 W EP 2017076818W WO 2018077735 A1 WO2018077735 A1 WO 2018077735A1
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susceptor
cavity
ceramic material
microwaves
solid
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PCT/EP2017/076818
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Sylvain MARINEL
Etienne Savary
François-Xavier LEFEVRE
Jérôme LECOURT
Sébastien SAUNIER
Pauline CHANIN-LAMBERT
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Centre National De La Recherche Scientifique
Universite De Caen Normandie
Ecole Nationale Superieure D'ingenieurs Caen
Universite De Valenciennes Et Du Hainaut Cambresis
Association Pour La Recherche Et Le Developpement De Methodes Et Processus Industriels - Armines
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Definitions

  • the invention relates to a method of heat treatment of ceramic materials and more particularly to a method of densifying a piece of ceramic material in a microwave cavity.
  • the ceramic material parts can be manufactured by heat treatment to be consolidated and / or densified.
  • a solid piece of powder previously shaped, for example by compression or casting, can be densified by heating, or sintering.
  • This operation is conventionally performed by heating a powder sample compressed by infrared radiation and / or by convection.
  • the heat source emitting infrared radiation is typically performed by a resistive element or by the combustion of a gas.
  • the sample is typically heated to a temperature above 700 ° C.
  • the efficiency of heat treatment by this type of method is not optimal and leads to significant energy losses, additional production costs and a major environmental impact. In the case of gas ovens, heating results in carbonaceous gas emissions harmful to the environment.
  • Microwave ovens offer an interesting alternative to these two methods of heat treatment. To heat non-metallic materials, their energy efficiency is much higher than that of the two methods described above, which can lead to a significant saving of the energy used in the case of convection ovens. This efficiency can be explained by an absorption of localized energy within the sample and by the reduction of the total volume to be heated. Microwave ovens also reduce heat treatment time compared to conventional methods.
  • the heating of pieces of ceramic material of large dimensions is little or not compatible with microwave heating.
  • the dielectric properties of many ceramic materials are not conducive to coupling with microwaves at room temperature, up to temperatures typically of the order of 400 ° C.
  • the dielectric losses of zirconia increase significantly above 400 ° C, resulting in a better coupling between zirconia and microwaves above this temperature.
  • the heatable thickness of a sample (substantially corresponding to the length of penetration into the sample of microwaves) is dependent on both the characteristics of the material but also on the frequency v 0 of the microwaves. waves: the length of penetration increases when the frequency decreases.
  • the size of a piece of ceramic material heated by the energy of microwaves dissipated in said room is in this case limited.
  • a monomode cavity makes it possible to thermally treat a sample in a homogeneous manner in a volume of the cavity: this volume is smaller as the frequency of the microwaves introduced into the cavity is high.
  • a typical single-mode cavity in which microwaves are emitted at a frequency of 2.45 GHz makes it possible to treat a sample with a volume typically less than 0.35 L.
  • a solution of the prior art consists in using a lower frequency v 0 equal to 915 MHz.
  • S. Li et al. Li, S., Xie, G., Louzguine-Luzgin, DV, Sato, M., & Inoue, A. (2011) Microwave-induced sintering of Cu-based metallic composite glass matrix in a single-mode 915-
  • these applications apply this solution to the heat treatment of an amorphous metal alloy, different from a ceramic material.
  • the temperature of the heat treatment is 400 ° C.
  • the maximum heat treatment temperature is limited by the appearance of plasma and / or electric arc, driven by an intense electromagnetic field.
  • Sintering a ceramic material requires processing of samples at elevated temperatures, for example between 1300 ° C and 1600 ° C. It is problematic to reach these temperatures during a heating Microwave: A high intensity of the electromagnetic field is typically required. When the sample or any other part inside a microwave cavity can reflect the microwaves (even partially), an intensity locally increased by microwave reflection may cause the appearance of a plasma. The appearance of a plasma has a dramatic effect on the heat treatment of a sample. Plasmas comprise charged particles free in volume and therefore highly conductive: a plasma has the characteristic of reflecting an incident electromagnetic field. This plasma can cause a major disruption of heating to cause a rapid and significant drop in the temperature of the sample. The appearance of a plasma also causes a disturbance of the spatial distribution of the electromagnetic field in a cavity and consequently a heterogeneous heat treatment of the treated part (s).
  • Another solution is to use, in a monomode oven at 915 MHz, two parallel susceptors, whose surface is perpendicular to the electric field present in the cavity (R. Heuguet, "Development of single-mode microwave processes at 2450 MHz and 915 MHz for the sintering of oxide ceramics ", Thesis defended on October 14, 2014, University of Caen Basse Normandie), the two susceptors surrounding the sample to be heat treated. Indeed, being perpendicular to the electric field, the susceptors cause an electric field concentration on the sample. This makes it possible to minimize the necessary microwave power and thus to greatly limit the creation of plasma in the vicinity of the sample. This solution makes it possible to reach temperatures of the order of 1500 ° C. The present inventors have however realized that, when high microwave powers are required, the appearance of a plasma, in the vicinity of the susceptors, is observed which then impairs the process.
  • the invention aims to remedy some or all of the aforementioned drawbacks of the prior art, and more particularly to heat treat, at least in part by microwaves, a piece of ceramic material with a volume greater than 1 cm 3 , and in the case of a piece of porous ceramic material, to densify it in measurements equivalent to a densification carried out by methods of the prior art using for example convection ovens.
  • An object of the invention making it possible to achieve this object is a method of heat treatment of at least one solid piece of ceramic material in a microwave cavity, said cavity being formed by an enclosure whose geometry is adapted to the resonance in a single mode of an electromagnetic field defining at least one local extremum of the electric or magnetic field in said cavity, at a frequency v 0 between 900 MHz and 1 GHz, the direction of the electric field E being substantially uniform in said empty cavity , comprising at least the steps of:
  • a said solid part is initially porous and densified at least one said solid part by heating in step b).
  • At least two said solid pieces are brazed in step b).
  • at least one element chosen from an edge and an apex of at least one said first susceptor is rounded.
  • At least one said first susceptor is silicon carbide.
  • the material of at least one said ceramic part is chosen from alumina and zirconia.
  • at least one said piece of solid ceramic material is densified so as to comprise at least 90% ceramic material per unit volume.
  • said method comprises a step of placing said one or more susceptors and said one or more pieces of ceramic material in a first thermal confinement.
  • said first thermal confinement is surrounded by one or a plurality of second susceptors.
  • said arrangement of said second susceptor (s) forms a second volume delimited by said second susceptor (s) and in which the dimensions, the material and the arrangement of said second susceptors are configured to emit infrared radiation during an interaction with microphones. -ondes.
  • said one or more second susceptors and said first thermal confinement are arranged in a second thermal confinement.
  • each said second susceptor comprises at least a second main surface, each said second main surface being a regulated surface whose generatrices are parallel to said electric field E in a said empty cavity.
  • at least one element chosen from an edge and an apex of at least one said second susceptor is rounded.
  • the material of at least one said susceptor is selected from a refractory and semiconductor oxide of a transition metal, and a carbide.
  • the material of said one or more first and second susceptors is selected from silicon carbide and lanthanum chromite.
  • said ceramic material comprises several phases of different ceramic materials and the dimensions, the material and the arrangement of each said first susceptor are configured to heat-treat selectively at least one of said phases of each said piece of ceramic material.
  • the maximum size D of said part is chosen so that the ratio between the penetration length of said microwaves in said part and D is between 0.5 and 10.
  • FIG. 1 schematically illustrates the section a device used for the implementation of the invention
  • Figure 2 is a photograph of a part of a device used for the implementation of the invention
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of a side view of the cavity, comprising a part, and electric and magnetic fields associated with different configurations of the cavity;
  • Figure 4 is a schematic representation of an indirect heating method, different from the invention;
  • Figure 5 is a schematic representation of a direct heating method, different from the invention;
  • Figure 6 is a schematic representation of a hybrid heating method according to one embodiment of the invention;
  • Figure 7 is an illustration of a simulation of the intensity of the electric field around a susceptor different from a susceptor implemented in the invention;
  • Figure 8 is a set of simulation illustrations of the intensity of the electric field around a susceptor different from a susceptor implemented in the invention;
  • FIG. 9 illustrates the kinetics of the temperature of a piece of ceramic material during a heat treatment according to one embodiment of the invention;
  • FIG. 10 is a scanning electron micrograph of a sectional cut of ceramic material after heat treatment according to one embodiment of the invention.
  • Figure 1 schematically illustrates the section of a device used for the implementation of the invention.
  • microwaves are considered to be electromagnetic waves whose frequency is between 300 MHz and 300 GHz.
  • the frequency of the microwaves 1 used in the invention is between 900 MHz and 1000 MHz, so as to partially meet the problems of the prior art: one chooses a microwave frequency among the lowest frequencies of the range microwaves frequencies so as to heat a solid piece of ceramic material 4 with the greatest penetration length possible, and so as to have a volume able to heat a room homogeneously in a microwave cavity the largest possible.
  • a monomode resonant cavity illustrated schematically in FIG. 1, comprises a volume of 9 liters able to heat a sample homogeneously when the frequency of the microwaves 1 is 915 MHz.
  • the microwaves 1 are for example emitted into the cavity in a direction normal to the plane of the section illustrated in FIG. 1.
  • a similar cavity but adapted (for example geometrically) to be monomode resonant for microwaves 1 of frequency equal to 2.45 GHz, would have a similar volume 25 times smaller.
  • the size of the solid piece of ceramic material 4 smaller than the size of the cavity.
  • D is the maximum size of a part 4
  • the method is carried out in a cavity 9, formed by an enclosure, whose geometry is adapted to propagation, as well as to resonance in a single mode (single mode ) of the electromagnetic field, at a frequency v 0 between 900 MHz and 1 GHz, preferably substantially equal to 915 MHz.
  • a single mode single mode
  • the cavity 9 is then called monomode.
  • the geometry of the cavity 9 can be adjusted before the introduction of a sample so as to be monomode.
  • the cavity can be adapted by varying, for example, the parameters of a movable short-circuit piston or of an iris in waveguides introducing microwaves 1 into the cavity. the cavity.
  • the electric field E in the empty cavity when microwaves 1 are emitted, has a uniform direction.
  • the direction of the field E is uniform in the volume in which a solid piece of ceramic material 4 is placed during a heat treatment process, and advantageously a densification process.
  • An illustrative vector E is illustrated in FIG.
  • At least one solid piece of ceramic material 4 is placed in a cavity 9. It is advantageously placed on a support made of thermal insulation 7.
  • solid piece of ceramic material is meant a part, comprising at least one ceramic material, adapted to support itself mechanically, for example placed on a support, in opposition to a powder of ceramic material disposed in a crucible.
  • a solid piece of ceramic material 4 may be porous.
  • porous is meant that a solid piece 4 comprises pores, that is to say volumes capable of containing a gaseous or liquid medium.
  • a porous material is characterized by a material whose ratio between the pore volume and the apparent volume of the material is substantially different from zero, preferably greater than 1%.
  • the solid part 4 can support itself, placed on a support, thanks for example to the connections between different grains of the material ensuring a mechanical stability of the part.
  • the ceramic material of a solid piece of ceramic material 4 is adapted to absorb microwaves 1 at the frequency v 0 and at a temperature T greater than or equal to 700 ° C.
  • the material of a solid piece 4 may be a ceramic oxide, for example chosen from alumina, zirconia and spinel.
  • the propagation mode of the microwaves 1 in the cavity 9 can be chosen so as to optimize the absorption of the microwaves 1 by the material of the part 4.
  • At least one Local extremum of electric field and / or stationary magnetic can be formed at distinct locations in a single-mode cavity 9.
  • bellies and nodes of the electric and / or magnetic field may be arranged longitudinally in a cavity 9 and in quadrature phase.
  • a solid piece 4 made of ceramic material is arranged in correspondence with an electric or magnetic field belly in the cavity 9.
  • the thermal insulator 7 may be, for example, the thermal insulator 7 liteCell (AET Technologies, thermal insulation with high alumina content).
  • the solid piece of ceramic material 4 is surrounded by at least a first susceptor 3.
  • a solid piece of ceramic material 4 is surrounded by two first susceptors 3, respectively on the left and to the right of the solid piece of ceramic material 4.
  • one or a plurality of first susceptors 3 may surround a solid piece of ceramic material 4.
  • at least one element selected from a ridge and a peak of at least one said first susceptor is rounded. This feature limits or prevents the appearance of plasma during heat treatment.
  • rounded it is defined that the different walls of a first susceptor 3 meet in edges and / or vertices whose surface follows at least one radius of curvature of which the length is greater than one thousandth of the maximum dimension of the cavity 9 and preferably to one hundredth of the maximum dimension of the cavity 9.
  • the dimensions, the material and the arrangement of the first susceptor (s) 3 are chosen, or configured to emit infrared radiation directly to a said solid part 4 during an interaction with microwaves (1) at the frequency v 0 , at the neighborhood of each said solid piece 4 or around each said piece 4.
  • directly it is defined that the trajectory of an infrared radiation, emitted by one or more first susceptors 3, to the solid piece or pieces 4, does not cross no other piece of solid material and propagates only in the gaseous phase surrounding the solid part (s) 4.
  • Neighborhood means a length, less than the characteristic length of one or a plurality of solid parts made of ceramic material 4.
  • a susceptor is a material capable of excellent radiation absorption of microwaves 1 at a given frequency. Upon absorption of this radiation, the susceptor material can re-emit the energy absorbed by infrared radiation 2 for example.
  • the absorption of a susceptor material is governed by high dielectric, electrical or magnetic losses during the excitation of the material by an electromagnetic field, as for example in the case of microwaves 1.
  • the materials used as first and / or or second susceptors in the embodiments of the invention may advantageously be silicon carbide (SiC) and / or lanthanum chromite (LaCr0 3 ). Other materials with high microwave absorption capabilities can be used. Materials comprising a refractory and semiconductor oxide of a transition metal may be used. It is also possible to use materials composed of carbides, such as boron carbide, for example.
  • the first susceptors 3 comprise at least a first main surface 5.
  • main surface is meant that the arrangement of a part or the whole of a first susceptor 3 or a second susceptor 12 may be defined by a surface.
  • a main surface may be a plane: FIG. 1 illustrates, for example, two first susceptors 3 whose first major surfaces 5 are planes seen in section. One of them is illustrated with white dots.
  • a main surface may also be curved, for example in the case of side surface of a cylinder.
  • each said first or second main surface 5, 21 of each said first or second susceptor 3, 12 is a regulated surface, whose generatrices are parallel to the electric field E of the empty cavity 9, and / or the volume adapted to receive the sample.
  • the local absorption of the microwaves 1 makes it possible, according to the arrangement of the various susceptors in the cavity 9, to configure a volume in which the solid part 4 can be heated directly by the first susceptor (s) 3 by infrared radiation.
  • the assembly formed by a solid piece of ceramic material 4, and the first susceptor 3 surrounding a solid piece of ceramic material 4, is arranged (or placed) in a first thermal confinement 10 made of thermal insulation 7.
  • the thermal insulation 7 may be of liteCell type (AET Technologies SAS, high-alumina heat insulator), and / or Quartzel (trademark, Saint-Gobain Quartz SAS). This confinement by a thermal insulator 7 makes it possible to limit the energy losses by radiation during the heat treatment.
  • the form of thermal confinement 10 may be cylindrical. In the embodiment of the invention presented in FIG. 1, two second susceptors 12 surround a first thermal confinement 10.
  • the assembly composed of the second susceptors 12 and the first thermal confinement 10 is surrounded by a second thermal confinement 11, made by isolating This structure makes it possible to increase the thermal confinement properties.
  • the second thermal confinement 11 is produced by a thermal insulator 7
  • the second thermal confinement 11 is placed on an aluminum plate 8.
  • the cavity 9, the first thermal confinement 10 and the second thermal confinement 11 can be drilled in order to achieve a pyrometric aiming 6.
  • This aiming 6 can enable a temperature sensor to remotely measure the temperature of a solid piece of material ceramic 4 during heat treatment.
  • the temperature sensor and the microwave transmitter 1 are connected via a bus to a processing unit.
  • the processing unit comprises one or more microprocessors and a memory.
  • the processing unit independently controls the transmit power of the microwave transmitter and processes the information of the temperature sensor.
  • the power is slaved to a given temperature setpoint.
  • the temperature setpoint can be variable in time so as to produce defined temperature treatment profiles, such as temperature ramps or stationary temperature heat treatments. According to one embodiment of the invention, it is possible to measure, during all or part of the emission of microwaves 1, the temperature of a solid piece of ceramic material 4 and then to regulate or control the power of emission of microwaves according to the measured temperature.
  • FIG. 2 is a photograph of a part of a device used for the implementation of a method of the invention.
  • a solid piece of ceramic material 4 is schematically illustrated by a white rectangle for the clarity of the photograph.
  • Two first susceptors 3 surround the solid piece of ceramic material 4.
  • Surround is meant here that at least half of the surface of a solid piece of ceramic material 4 is in the vicinity of a first susceptor 3.
  • the first main surface 5 of one of the first susceptors 3 is represented by a white dashed rectangle in perspective.
  • Field E is shown at the bottom right of the photograph.
  • the first major surfaces of the two susceptors, planar are parallel to the direction of the field E.
  • the first susceptors 3 and the solid piece of ceramic material 4 are placed inside a first thermal confinement 10, formed in part by the four bricks illustrated by the photograph.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a side view of the cavity 9, comprising a part 4, and electric and magnetic fields associated with different configurations of the cavity 9.
  • a cavity 9 may be formed of walls, a coupling iris 19 at one of its ends and a short circuit piston 20 at the other of its ends.
  • a first configuration (a) is associated with a position of a coupling iris 19 and a position of a short circuit piston 20, marked by irregular discontinuous lines.
  • a second configuration (b) is associated with another position of a coupling iris 19 and another position of a short circuit piston 20, also marked by irregular discontinuous lines. In the middle of FIG.
  • the amplitude of the electric field (c) and the amplitude of the magnetic field (d) are schematically illustrated and correspond to the configuration (a) of the cavity.
  • the amplitude of the electric field (c) and the amplitude of the magnetic field (d) are schematically illustrated and correspond to the configuration (b) of the cavity.
  • the part 4 is placed in correspondence with a local extremum of electric or magnetic field.
  • the piece 4 In the configuration (a) of the cavity, the piece 4 is placed in correspondence with a belly (or extremum), the amplitude of the magnetic field (d) and with a node of the electric field (c).
  • the part 4 In the configuration (b) of the cavity, the part 4 is placed in correspondence with a belly (or extremum) of the electric field (c) and with a node of the magnetic field (d).
  • Figure 4 is a schematic representation of an indirect heating method, different from the invention.
  • Panel A of FIG. 4 is a diagrammatic representation in plan view of the implementation of indirect heating.
  • Indirect heating implements at least a first susceptor 3 and a sample 18 surrounded by the first susceptor 3.
  • the material constituting the sample 18 to be heated is transparent to microwaves 1 or opaque in the microwave 1.
  • transparent is meant a material whose dielectric and / or magnetic losses are substantially zero when the material is subjected to a microwave field 1 at a given frequency.
  • a transparent material generally has a very low electrical conductivity. The electrical conductivity of a transparent material may be less than 10 -8 S. m- 1 , preferably less than 10 -10 S. m- 1 and more preferably less than 10 -12 S. m- 1 .
  • opaque is meant a material reflecting the radiation of microwaves 1 for a given frequency.
  • An opaque material generally has a high electrical conductivity. The electrical conductivity of an opaque material is preferably greater than 10 3 m.sup.- 1 .
  • the interaction between the microwaves 1 and the sample 18 does not allow growth to occur.
  • the susceptor 3 placed around the sample 18 absorbs the microwaves 1 and emits infrared radiation 2. The sample can then be heated by infrared radiation 2.
  • the panel B of FIG. 4 schematically illustrates a temperature profile along an axis passing through the center of the sample 18.
  • the two temperature maxima of this implementation are located at the distance, corresponding to the axis d on the abscissa of the location of the first susceptor 3.
  • the temperature in the center of the sample is mainly due to heating by infrared radiation 2 of the periphery of the sample and / or convection of the medium surrounding the sample, coupled to a thermal conduction within the sample as explained above.
  • This method of heat treatment does not solve the technical problem posed by the prior art: we lose a significant portion of energy efficiency related to heating by microwave 1.
  • FIG. 5 is a schematic representation of a direct heating method different from the invention.
  • Panel A of FIG. 5 is a schematic representation in plan view of the implementation of direct heating.
  • the material constituting the sample 18 to be heated absorbs the microwaves 1 at a given frequency.
  • the interaction between the microwaves 1 and the absorbent material of the sample 18 makes it possible to heat the sample.
  • the panel B of FIG. 5 schematically illustrates a temperature profile along an axis passing through the center of the sample 18.
  • the temperature profile presents a maximum in the center of the sample.
  • the profile may be different because it depends in particular on the size of the sample 18, the material of the sample 18, the power and the wavelength of the microwaves 1 emitted.
  • the sample 18 is a solid piece of ceramic material 4, it is possible that the material of the room is not able to be heated directly by microwaves 1 at room temperature.
  • a porous piece 4 is densified during a high temperature heat treatment process: in the case of certain ceramic materials, if the density of the piece is too high, the penetration volume of the microwaves 1 may be The effectiveness of the heating by microwaves 1 is thus limited, and does not make it possible to reach certain set temperatures, for example temperatures higher than 700 ° C.
  • FIG. 6 is a schematic representation, in top view, of a hybrid heating method according to one embodiment of the invention.
  • the implementation of this embodiment of the invention comprises a solid piece of ceramic material 4.
  • the sample is surrounded by a first susceptor 3.
  • the first susceptor 3 absorbs at a given frequency the micro
  • the first susceptor 3 emits in this case an infrared radiation 2 which contributes to the temperature treatment of the solid part made of ceramic material 4, in particular during a first phase of growth of the temperature of the solid part 4, in which the material of the solid part 4 is very weakly capable of interacting with the microwaves 1.
  • part of the microwaves 1 can be absorbed, at a given frequency, by the solid piece of ceramic material 4.
  • FIG. 7 is an illustration of a simulation of the intensity of the electric field around a susceptor different from a susceptor implemented in the invention. The intensity of the electric field is illustrated by the gray levels of the illustration, the maximum intensity of E corresponding to black.
  • a first susceptor is a crucible, useful for example for sintering a ceramic material initially in powder form.
  • This first susceptor may also contain a solid piece of ceramic material 4 as illustrated in Figure 7.
  • the electric field lines E are illustrated by thin black lines. In the absence of first susceptor and solid piece of ceramic material 4, the field lines would be vertical.
  • the crucible-shaped susceptor geometry illustrated does not comprise only first major surfaces 5 whose generatrices are parallel to the electric field E of an empty cavity 9. The inventors have discovered that one or the first major surfaces 5 not parallel to the electric field E of an empty cavity 9 are particularly suitable for driving high spatial areas of the electric field, as well as discontinuities of the electric field on the surface. of a first and / or second susceptor, during the emission of microwaves 1.
  • zones are particularly suitable for causing the appearance of plasma and / or electric arcs during heat treatment and / or densification of a solid piece of ceramic material 4.
  • the inventors have discovered that it is possible to reduce these areas by placing only one or the first susceptors 3 whose first major surfaces 5 are parallel to the direction of E in an empty cavity, that is to say, each said first main surface 5 is a regulated surface whose generatrices are parallel to E in a cavity 9 empty. It is also possible to reduce these areas by placing in the cavity one or more second susceptors 12, each said second main surface 21 is a regulated surface whose generatrices are parallel to E in a cavity 9 empty.
  • Figure 8 is a set of illustrations of simulation of the intensity of the electric field around a susceptor different from a susceptor implemented in the invention.
  • the intensity of the electric field is illustrated by the gray levels of the illustration, the maximum intensity of E corresponding to black.
  • the panel A of FIG. 8 is a detail of FIG. 7, corresponding to the lower part of the crucible, the geometry of which does not comprise a first main surface 5 parallel to E in an empty cavity.
  • the line in dotted line corresponds to the outer surface of the susceptor arranged above the dots.
  • the intensity, the variation of the intensity and the discontinuity of the electric field illustrated in the panel A can favor the appearance of plasma and / or electric arc during the emission of microwaves 1.
  • the panel B of Figure 8 is a detail of Figure 7, corresponding to a portion to the right of the crucible illustrated in Figure 7.
  • This part comprises a first major surface parallel to the field E in a vacuum cavity.
  • the average intensity of E is lower than the average intensity shown in panel A.
  • the arrangement of this part may allow a temperature rise sufficient for efficient heat treatment and / or densification without forming a plasma and / or an electric arc in the cavity 9.
  • FIG. 9 illustrates the kinetics of the temperature of a solid part 4 made of ceramic material during a heat treatment according to one embodiment of the invention.
  • the ceramic material used may be alumina.
  • the temperature reference is 1600 ° C. This instruction is reached in less than 250 min.
  • Three phases of the kinetics can be distinguished: a first phase (between 0 min and about 40 min) during which the slope of the kinetics is on average 9 ° C / min, a second phase (approximately between 40 min and 150 min ) in which the kinetic slope is on average 6.5 ° C / min and a third phase (approximately between 150 min and 210 min) during which the kinetic slope is on average 3.5 ° C .
  • FIG. 10 is a scanning electron micrograph of a solid piece section 4 made of ceramic material after a heat treatment according to an embodiment of FIG. the invention.
  • the ceramic material used may be alumina.
  • the scale bar corresponds to a length of 1 ⁇ .
  • the microstructure of the ceramic material of the photograph corresponds to the heat treatment whose kinetics is illustrated in FIG. 9.
  • the solid part made of ceramic material 4 used is an alumina-type oxide pellet, the diameter of which is for example 80 mm.
  • the measured density of the solid piece of ceramic material 4 is strictly greater than 95% (by volume) and the microstructures observed in the material are fine: in particular, FIG. 10 illustrates a microstructure whose mean diameter of the grains 17 is less than one micrometer and substantially equal to 350 nm.
  • the susceptors comprise first major surfaces 5 and / or second major surfaces 21 not parallel to the field E of an empty cavity 9, the appearance of plasma can prevent this target temperature from being reached.
  • the heat treatment time, corresponding to a microwave emission step 1, and the power of the microwaves 1 emitted can be parameterized so as to heat treat and / or to densifying a solid piece of ceramic material 4 to a value greater than 90% ceramic material per unit volume.
  • the ceramic material of a part 4 can be polyphase, and comprise several phases of different ceramic materials.
  • the interaction properties of these materials with microwaves 1 may be different during a microwave transmission 1 of frequency v 0 between 900 MHz and 1 GHz.
  • the arrangement of the different first susceptors 3 can make it possible to vary the power dissipated in the different phases and thus to selectively heat treat and / or densify certain or at least one of the phases of a material of a part 4.
  • two ceramic pieces 4, porous or not, may be heat treated, so as to be brazed during microwave emission.
  • a method according to the invention makes it possible in this case to reach the conventional brazing temperatures of the ceramic pieces by reducing the risks of plasma appearance, by saving energy compared with conventional soldering methods and by reducing the time required. to reach the conventional brazing temperatures (which may be, depending on the ceramic material of a solid part 4, for example between 600 ° C and 1200 ° C).

Abstract

La présente invention se situe dans le domaine du traitement thermique des matériaux en céramique, et concerne un procédé de traitement thermique d'une pièce solide en matériau céramique dans une cavité micro-ondes, la direction du champ électrique E étant sensiblement uniforme dans une cavité vide, comprenant les étapes consistant à placer, dans la cavité au moins une pièce en matériau céramique entourée d'au moins un premier suscepteur dont les dimensions, le matériau et l'agencement sont configurés pour émettre un rayonnement infrarouge, chaque premier suscepteur comportant au moins une première surface principale, chaque première surface principale étant une surface réglée dont les génératrices sont parallèles audit champ électrique E, et à émettre desdites micro-ondes dans ladite cavité.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT THERMIQUE D'UNE PIECE EN MATERIAU CERAMIQUE PAR MICRO-ONDES
L'invention concerne un procédé de traitement thermique des matériaux céramiques et plus particulièrement un procédé de densification d'une pièce en matériau céramique dans une cavité micro-ondes.
Les pièces en matériau céramique peuvent être fabriquées par traitement thermique afin d'être consolidées et/ou densifiées. Une pièce solide de poudre préalablement mise en forme, par exemple par compression ou coulage, peut être densifiée par chauffage, ou frittage. Cette opération est conventionnellement réalisée en chauffant un échantillon de poudre comprimée par radiation infrarouge et/ou par convection. La source de chaleur émettant un rayonnement infrarouge est typiquement réalisée par un élément résistif ou par la combustion d'un gaz. L'échantillon est typiquement chauffé à une température supérieure à 700 °C. Le rendement du traitement thermique par ce type de méthode n'est pas optimal et entraîne des pertes énergétiques importantes, un surcoût de production et un impact environnemental majeur. Dans le cas des fours à gaz, le chauffage entraîne des rejets de gaz carbonés nocifs pour l'environnement.
Les fours à micro-ondes présentent une alternative intéressante à ces deux méthodes de traitement thermique. Pour chauffer des matériaux non métalliques, leur rendement énergétique est bien supérieur à celui des deux méthodes décrites précédemment, pouvant conduire à une économie significative de l'énergie utilisée dans le cas de fours à convection. Ce rendement peut s'expliquer par une absorption de l'énergie localisée au sein de l'échantillon et par la réduction du volume total à chauffer. Les fours à micro-ondes permettent également de réduire le temps de traitement thermique comparativement aux méthodes conventionnelles.
Dans l'état de l' art, le chauffage de pièces en matériau céramique de grandes dimensions, par exemple d'une taille supérieure à 3 cm, est peu ou pas compatible avec un chauffage par micro-ondes. Plusieurs raisons peuvent expliquer ce problème technique. Les propriétés diélectriques de nombreux matériaux céramiques ne sont pas favorables à un couplage avec des micro-ondes à température ambiante, et ce jusqu' à des températures typiquement de l'ordre de 400°C. A titre d'exemple, les pertes diélectriques de la zircone augmentent significativement au dessus de 400°C, entraînant un meilleur couplage entre la zircone et les micro-ondes au dessus de cette température.
De plus, l'épaisseur apte à être chauffée d'un échantillon (correspondant sensiblement à la longueur de pénétration dans l'échantillon des micro-ondes) est dépendante à la fois des caractéristiques du matériau mais aussi de la fréquence v0 des micro-ondes : la longueur de pénétration augmente quand la fréquence diminue. Pour certains matériaux céramiques chauffés par micro-ondes, la longueur de pénétration peut être inférieure a un millimètre, avec Vo = 2,45 GHz (cette fréquence est la fréquence typiquement utilisée dans les fours à microondes). La taille d'une pièce de matériau céramique chauffée par l'énergie des micro-ondes dissipée dans ladite pièce est dans ce cas limitée.
L'utilisation d'une cavité monomode permet de traiter thermiquement un échantillon de manière homogène dans un volume de la cavité : ce volume est d' autant plus petit que la fréquence des micro-ondes introduites dans la cavité est élevée. Par exemple, une cavité typique monomode dans laquelle on émet des micro-ondes à une fréquence de 2,45 GHz permet de traiter un échantillon d'un volume typiquement inférieur à 0,35 L.
Une solution de l' art antérieur, consiste à utiliser une fréquence v0 plus faible, égale à 915 MHz. S. Li et al. (Li, S., Xie, G., Louzguine-Luzgin, D. V., Sato, M., & Inoue, A. (2011). Microwave-induced sintering of Cu-based metallic glass matrix composites in a single-mode 915-MHz applicator. Metallurgical and Materials Transactions A, 42(6), 1463- 1467) appliquent par exemple cette solution au traitement thermique d'un alliage métallique amorphe, différent d'un matériau céramique. La température du traitement thermique est de 400°C. En utilisant cette méthode, la température de traitement thermique maximale est limitée par l' apparition de plasma et/ou d' arc électrique, entraînée par un champ électromagnétique intense. Le frittage d'un matériau céramique nécessite de traiter des échantillons à des températures élevées, par exemple entre 1300°C et 1600°C. Il est problématique d' atteindre ces températures lors d'un chauffage micro-ondes : une forte intensité du champ électromagnétique est typiquement requise. Lorsque l'échantillon ou tout autre pièce à l'intérieur d'une cavité microondes peut réfléchir les micro-ondes (même partiellement), une intensité localement augmentée par une réflexion des micro-ondes peut entraîner l' apparition d'un plasma. L' apparition d'un plasma a un effet dramatique sur le traitement thermique d'un échantillon. Les plasmas comportent des particules chargées libres en volume et donc très conductrices : un plasma a la caractéristique de réfléchir un champ électromagnétique incident. Ce plasma peut entraîner une perturbation majeure du chauffage jusqu' à provoquer une baisse rapide et significative de la température de l'échantillon. L' apparition d'un plasma entraîne également une perturbation de la distribution spatiale du champ électromagnétique dans une cavité et par conséquent un traitement thermique hétérogène de la ou des pièces traitées.
Une autre solution consiste à utiliser, dans un four monomode à 915 MHz, deux suscepteurs parallèles, dont la surface est perpendiculaire au champ électrique présent dans la cavité (R. Heuguet, « Développement des procédés micro-ondes monomodes à 2450 MHz et 915 MHz pour le frittage de céramiques oxydes », Thèse soutenue le 14 octobre 2014, Université de Caen Basse Normandie), les deux suscepteurs entourant l'échantillon à traiter thermiquement. En effet, en étant perpendiculaire au champ électrique, les suscepteurs entraînent une concentration de champ électrique sur l'échantillon. Cela permet de minimiser la puissance micro-ondes nécessaire et ainsi de limiter fortement la création de plasma au voisinage de l'échantillon. Cette solution permet d' atteindre des températures de l'ordre de 1500 °C. Les présents inventeurs se sont cependant rendu compte que, lorsque des puissances micro-ondes élevées sont nécessaires, l'on observe l' apparition d'un plasma, au voisinage des suscepteurs, qui nuit alors au processus.
L'invention vise à remédier à une partie ou à la totalité des inconvénients précités de l' art antérieur, et plus particulièrement à traiter thermiquement, au moins en partie par micro-ondes, une pièce de matériau céramique d'un volume supérieur à 1 cm3, et dans le cas d'une pièce en matériau céramique poreuse, de la densifier dans des mesures équivalentes à une densification réalisée par des méthodes de l' art antérieur utilisant par exemple des fours à convection. Un objet de l'invention permettant d' atteindre ce but est un procédé de traitement thermique d' au moins une pièce solide en matériau céramique dans une cavité micro-ondes, ladite cavité étant formée par une enceinte dont la géométrie est adaptée à la résonance selon un seul mode d'un champ électromagnétique définissant au moins un extremum local du champ électrique ou magnétique dans ladite cavité , à une fréquence v0 comprise entre 900 MHz et 1 GHz, la direction du champ électrique E étant sensiblement uniforme dans ladite cavité vide, comprenant au moins les étapes consistant à :
a) placer, dans ladite cavité, au moins une dite pièce en matériau céramique adapté à absorber des micro-ondes à la fréquence v0 et à une température T supérieure ou égale à 700°C, en correspondance avec un dit extremum local de champ électrique ou magnétique, ladite pièce en matériau céramique étant entourée d' au moins un premier suscepteur dont les dimensions, le matériau et l' agencement sont configurés pour émettre un rayonnement infrarouge directement vers une dite pièce solide lors d'une interaction avec des micro-ondes, chaque dit premier suscepteur comportant au moins une première surface principale, chaque dite première surface principale étant une surface réglée dont les génératrices sont parallèles audit champ électrique E dans une dite cavité vide. b) émettre desdites micro-ondes à la fréquence v0 dans ladite cavité.
Avantageusement, une dite pièce solide est initialement poreuse et on densifie au moins une dite pièce solide par chauffage dans l'étape b).
Avantageusement, au moins deux dites pièces solides sont brasées dans l'étape b). Avantageusement, au moins un élément choisi parmi une arête et un sommet d' au moins un dit premier suscepteur est arrondi.
Avantageusement, au moins un dit premier suscepteur est en carbure de silicium.
Avantageusement, le matériau d' au moins une dite pièce en céramique est choisi parmi de l'alumine et de la zircone. Avantageusement, au moins une dite pièce en matériau céramique solide est densifiée de manière à comporter au moins 90% de matériau céramique par unité de volume.
Avantageusement, ledit procédé comprend une étape consistant à placer ledit ou lesdits premiers suscepteurs et ladite ou lesdites pièces en matériau céramique dans un premier confinement thermique.
Avantageusement, ledit premier confinement thermique est entouré par un ou une pluralité de seconds suscepteurs.
Avantageusement, ledit agencement dudit ou desdits seconds suscepteurs forme un second volume délimité par ledit ou lesdits seconds suscepteurs et dans lequel les dimensions, le matériau et l' agencement desdits seconds suscepteurs sont configurés pour émettre un rayonnement infrarouge lors d'une interaction avec des micro-ondes.
Avantageusement, ledit ou lesdits seconds suscepteurs et ledit premier confinement thermique sont agencés dans un second confinement thermique.
Avantageusement, chaque dit second suscepteur comporte au moins une seconde surface principale, chaque dite seconde surface principale étant une surface réglée dont les génératrices sont parallèles audit champ électrique E dans une dite cavité vide. Avantageusement, au moins un élément choisi parmi une arête et un sommet d' au moins un dit second suscepteur est arrondi.
Avantageusement, le matériau d' au moins un dit suscepteurs est choisi parmi un oxyde réfractaire et semi-conducteur d'un métal de transition, et un carbure. Avantageusement, le matériau dudit ou desdits premiers et seconds suscepteurs est choisi parmi du carbure de silicium et de la chromite de lanthane.
Avantageusement, ledit matériau céramique comporte plusieurs phases de matériaux céramiques différents et les dimensions, le matériau et l' agencement de chaque dit premier suscepteur sont configurés pour traiter thermiquement sélectivement au moins une des dites phases de chaque dite pièce en matériau céramique. Avantageusement, on choisit la taille maximale D de ladite pièce de manière à ce que le rapport entre la longueur de pénétration desdites micro-ondes dans ladite pièce et D soit compris entre 0,5 et 10.
L'invention sera mieux comprise et d' autres avantages, détails et caractéristiques de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 illustre schématiquement la coupe d'un dispositif utilisé pour la mise en œuvre de l'invention ; la figure 2 est une photographie d'une partie d'un dispositif utilisé pour la mise en œuvre de l'invention ; la figure 3 est une représentation schématique d'une vue de côté de la cavité, comportant une pièce, et des champs électriques et magnétiques associés à différentes configurations de la cavité ; la figure 4 est une représentation schématique d'une méthode de chauffage indirect, différente de l'invention ; la figure 5 est une représentation schématique d'une méthode de chauffage direct, différente de l'invention ; la figure 6 est une représentation schématique d'une méthode de chauffage hybride selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 7 est une illustration d'une simulation de l'intensité du champ électrique autour d'un suscepteur différent d'un suscepteur mis en œuvre dans l'invention ; la figure 8 est un ensemble d'illustrations de simulation de l'intensité du champ électrique autour d'un suscepteur différent d'un suscepteur mis en œuvre dans l'invention ; la figure 9 illustre une cinétique de la température d'une pièce en matériau céramique lors d'un traitement thermique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 est une micrographie prise en microscopie électronique à balayage d'une coupe de pièce en matériau céramique après un traitement thermique selon un mode de réalisation de l'invention.
La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l'invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l'invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l'invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
La figure 1 illustre schématiquement la coupe d'un dispositif utilisé pour la mise en œuvre de l'invention.
De manière générale, on considère par « micro-ondes » des ondes électromagnétiques dont la fréquence est comprise entre 300 MHz et 300 GHz. La fréquence des micro-ondes 1 utilisées dans l'invention est comprise entre 900 MHz et 1000 MHz, de manière à répondre partiellement aux problèmes de l' art antérieur : on choisit une fréquence micro-ondes parmi les fréquences les plus basses de la gamme des fréquences micro-ondes de manière à chauffer une pièce solide en matériau céramique 4 avec une longueur de pénétration la plus grande possible, et de manière à avoir un volume apte à chauffer une pièce de manière homogène dans une cavité micro-ondes la plus grande possible. En particulier, une cavité monomode résonante, illustrée schématiquement en figure 1 , comporte un volume de 9 litres apte à chauffer de manière homogène un échantillon quand la fréquence des micro-ondes 1 est de 915 MHz. Les micro-ondes 1 sont par exemple émises dans la cavité selon une direction normale au plan de la section illustrée dans la figure 1. En comparaison, une cavité similaire, mais adaptée (par exemple géométriquement) à être monomode résonante pour des micro-ondes 1 de fréquence égale à 2,45 GHz, comporterait un volume similaire 25 fois plus petit. Dans les différents modes de réalisation de l'invention, on choisit la taille de la pièce solide en matériau céramique 4 inférieure à la taille de la cavité. Avantageusement, on peut choisir la taille de la pièce solide 4 en fonction, entre autre, de la fréquence des micro-ondes 1 émise : D étant la taille maximale d'une pièce 4, on peut choisir la taille de D de manière à ce que le rapport entre la longueur de pénétration des micro-ondes dans le matériau de la pièce 4 et D soit compris entre 0,5 et 100, préférentiellement entre 0,5 et 10. Dans les différents modes de réalisation de l'invention, on peut émettre des micro-ondes 1 dans une cavité 9 avec un magnétron.
De manière générale, dans l'ensemble des réalisations de l'invention, le procédé est réalisé dans une cavité 9, formée par une enceinte, dont la géométrie est adaptée à la propagation, ainsi qu' à la résonance selon un seul mode (monomode) du champ électromagnétique, à une fréquence v0 comprise entre 900 MHz et 1 GHz, avantageusement sensiblement égale à 915 MHz. Dans les différentes réalisations de l'invention, on se place préférentiellement dans une configuration dans laquelle la cavité 9 est adaptée à une résonance des microondes 1 selon un mode, la cavité 9 est alors dite monomode. La géométrie de la cavité 9 peut être ajustée avant l'introduction d'un échantillon de manière à être monomode. La cavité illustrée en figure 1 est schématique : en pratique, on peut adapter la cavité en faisant varier par exemple les paramètres d'un piston court- circuit mobile ou d'un iris dans des guides d'onde introduisant les micro-ondes 1 dans la cavité. Dans l'ensemble des réalisations de l'invention, le champ électrique E dans la cavité vide, lorsque des micro-ondes 1 y sont émises, a une direction uniforme. En particulier, la direction du champ E est uniforme dans le volume dans lequel une pièce solide en matériau céramique 4 est placée pendant un procédé de traitement thermique, et avantageusement un procédé de densification. Un vecteur E illustre est illustré en figure 1.
Au moins une pièce solide en matériaux céramique 4 est placée dans une cavité 9. Elle est avantageusement posée sur un support réalisé en isolant thermique 7. Par « pièce solide en matériau céramique», on entend une pièce, comportant au moins un matériau céramique, apte à se supporter mécaniquement, par exemple posée sur un support, en opposition à une poudre de matériau céramique disposée dans un creuset. Une pièce solide en matériau céramique 4 peut être poreuse. Par « poreux », on entend qu'une pièce solide 4 comporte des pores, c'est-à-dire des volumes aptes à contenir un milieu gazeux ou liquide. En particulier, on caractérise un matériau poreux par un matériau dont le rapport entre le volume des pores et le volume apparent du matériau est sensiblement différent de zéro, de préférence supérieur à 1 %. La pièce solide 4 peut se supporter, posée sur un support, grâce par exemple aux liaisons entre différents grains du matériau assurant une stabilité mécanique de la pièce. De manière générale, le matériau céramique d'une pièce solide en matériau céramique 4 est adapté à absorber des micro-ondes 1 à la fréquence v0 et à une température T supérieure ou égale à 700°C. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le matériau d'une pièce solide 4 est peut être un oxyde céramique, par exemple choisi parmi de l' alumine, de la zircone et du spinelle. Le mode de propagation des micro-ondes 1 dans la cavité 9 peut être choisi de manière à optimiser l' absorption des micro-ondes 1 par le matériau de la pièce 4. Lors de l'émission de micro-ondes 1 , au moins un extremum local de champ électrique et/ou magnétique stationnaires peut être formé à des endroits distincts dans une cavité 9 monomode. Par exemple, des ventres et des nœuds du champ électrique et/ou magnétique, peuvent être arrangés longitudinalement dans une cavité 9 et en quadrature de phase. Préférentiellement, une pièce 4 solide en matériau céramique est agencée en correspondance avec un ventre de champ électrique ou magnétique dans la cavité 9. Dans une réalisation particulière de l'invention, l'isolant thermique 7 peut être par exemple l'isolant thermique 7 liteCell (AET Technologies, isolant thermique à forte teneur en alumine).
La pièce solide en matériau céramique 4 est entourée d' au moins un premier suscepteur 3. Dans une réalisation particulière de l'invention illustrée en figure 1 , une pièce solide en matériau céramique 4 est entourée de deux premiers suscepteurs 3, respectivement à gauche et à droite de la pièce solide en matériau céramique 4. Dans d' autres réalisations de l'invention, un ou une pluralité de premiers suscepteurs 3 peuvent entourer une pièce solide en matériau céramique 4. Avantageusement, au moins un élément choisi parmi une arête et un sommet d' au moins un dit premier suscepteur est arrondi. Cette caractéristique limite ou empêche l' apparition de plasma lors du traitement thermique. Par « arrondi », on définit que les différentes parois d'un premier suscepteur 3 se rejoignent en des arêtes et/ou des sommets dont la surface suit au moins un rayon de courbure dont la longueur est supérieure à un millième de la dimension maximale la cavité 9 et préférentiellement à un centième de la dimension maximale de la cavité 9.
Les dimensions, le matériau et l' agencement du ou des premiers suscepteurs 3 sont choisis, ou configurés pour émettre un rayonnement infrarouge directement vers une dite pièce solide 4 lors d'une interaction avec des microondes (1) à la fréquence v0, au voisinage de chaque dite pièce solide 4 ou autour de chaque dite pièce 4. Par « directement », on définit que la trajectoire d'un rayonnement infrarouge, émis par un ou plusieurs premiers suscepteurs 3, vers la ou les pièces solides 4, ne traverse pas d' autre pièce en matériau solide et se propage uniquement dans la phase gazeuse entourant la ou les pièces solides 4.
Par « au voisinage », on entend une longueur, inférieure à la longueur caractéristique d'une ou d'une pluralité de pièce solide en matériau céramique 4.
Un suscepteur est un matériau capable d'une excellente absorption du rayonnement des micro-ondes 1 à une fréquence donnée. Lors de l' absorption de ce rayonnement, le matériau suscepteur peut réémettre l'énergie absorbée par rayonnement infrarouge 2 par exemple. L' absorption d'un matériau suscepteur est gouvernée par des pertes diélectriques, électriques ou magnétiques élevées lors de l'excitation du matériau par un champ électromagnétique, comme par exemple dans le cas des micro-ondes 1. Les matériaux utilisés comme premiers et/ou seconds suscepteurs dans les réalisations de l'invention peuvent avantageusement être du carbure de silicium (SiC) et/ou de la chromite de lanthane (LaCr03). D' autres matériaux à fortes capacités d' absorption des micro-ondes 1 peuvent être utilisés. On peut utiliser des matériaux comportant un oxyde réfractaire et semiconducteur d'un métal de transition. On peut aussi utiliser les matériaux composés de carbures, comme le carbure de bore par exemple.
De manière générale et dans l'ensemble des réalisations de l'invention, les premiers suscepteurs 3 comportent au moins une première surface principale 5. Par « surface principale », on entend que l' agencement d'une partie ou de la totalité d'un premier suscepteur 3 ou d'un second suscepteur 12 peut être défini par une surface. Une surface principale peut être un plan : la figure 1 illustre par exemple deux premiers suscepteurs 3, dont les premières surfaces principales 5 sont des plans, vus de coupe. L'une d'elle est illustrée pas des pointillés blancs. Une surface principale peut également être courbe, par exemple dans le cas de la surface latérale d'un cylindre. De manière générale et dans l'ensemble des modes de réalisation de l'invention, chaque dite première ou seconde surface principale 5, 21 de chaque dit premier ou second suscepteur 3, 12 est une surface réglée, dont les génératrices sont parallèles au champ électrique E de la cavité 9 vide, et/ou du volume adapté à recevoir l'échantillon. Cette caractéristique permet de résoudre un problème technique de l' art antérieur, en l'occurrence de traiter une pièce solide en matériau céramique 4 à haute température, par exemple à une température supérieure à 700°C avec des micro-ondes 1 de fréquence v0 comprise entre 900 MHz et 1 GHz, sans former de plasma ni d' arc électrique dans la cavité 9. L' aspect physique de la résolution de ce problème technique est détaillé dans la description des figures 6 et 7.
L' absorption locale des micro-ondes 1 permet, selon l' agencement des différents suscepteurs dans la cavité 9, de configurer un volume dans lequel la pièce solide 4 peut être chauffée directement par le ou les premiers suscepteurs 3, par rayonnement infrarouge.
Avantageusement, l'ensemble formé par une pièce solide en matériau céramique 4, et le ou les premiers suscepteurs 3 entourant une pièce solide en matériau céramique 4, est agencé (ou placé) dans un premier confinement thermique 10 réalisé en isolant thermique 7. Dans une réalisation particulière de l'invention, l'isolant thermique 7 peut être de type liteCell (AET Technologies S.A. S., isolant thermique à forte teneur en alumine), et/ou Quartzel (marque déposée, Saint-Gobain Quartz S. A. S.). Ce confinement par un isolant thermique 7 permet de limiter les pertes d'énergie par radiation pendant le traitement thermique. La forme du confinement thermique 10 peut être cylindrique. Dans la réalisation de l'invention présentée dans la figure 1 , deux seconds suscepteurs 12 entourent un premier confinement thermique 10. L'ensemble composé des seconds suscepteurs 12 et du premier confinement thermique 10 est entouré par un second confinement thermique 11 , réalisé en isolant thermique 7. Cette structure permet d' augmenter les propriétés de confinement thermique. Dans cette réalisation particulière de l'invention, le second confinement thermique 1 1 est réalisé par un isolant thermique 7
Dans le mode de réalisation de l'invention illustré en figure 1 , le second confinement thermique 1 1 est posé sur un plateau en aluminium 8. La cavité 9, le premier confinement thermique 10 et le second confinement thermique 1 1 peuvent être percés afin de réaliser une visée pyrométrique 6. Cette visée 6 peut permettre à un capteur de température de mesurer à distance la température d'une pièce solide en matériau céramique 4 pendant un traitement thermique. Dans une réalisation particulière de l'invention, le capteur de température et l'émetteur de micro-ondes 1 sont reliés par l'intermédiaire d'un bus à une unité de traitement. L'unité de traitement comporte un ou plusieurs microprocesseurs et une mémoire. L'unité de traitement permet de contrôler de manière indépendante la puissance d'émission de l'émetteur micro-ondes et de traiter les informations du capteur de température. Dans des réalisations particulières de l'invention, on asservit la puissance à une consigne de température donnée. La consigne de température peut être variable dans le temps de manière à réaliser des profils de traitement en température définis, comme des rampes de températures ou des traitements thermiques à température stationnaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, on peut mesurer, pendant l'ensemble ou une partie de l'émission des micro-ondes 1 , la température d'une pièce solide en matériau céramique 4 puis réguler ou asservir la puissance d'émission des micro-ondes en fonction de la température mesurée.
La figure 2 est une photographie d'une partie d'un dispositif utilisé pour la mise en œuvre d'un procédé de l'invention. Une pièce solide en matériau céramique 4 y est illustrée schématiquement par un rectangle blanc pour la clarté de la photographie. Deux premiers suscepteurs 3 entourent la pièce solide en matériau céramique 4. Par « entourer », on entend ici qu' au moins la moitié de la surface d'une pièce solide en matériau céramique 4 est au voisinage d'un premier suscepteur 3. La première surface principale 5 de l'un des premiers suscepteurs 3 est représentée par un rectangle en pointillés blanc en perspective. Le champ E est illustré en bas à droite de la photographie. Dans ce mode de réalisation de l'invention, les premières surfaces principales 5 des deux suscepteurs, planes, sont parallèles à la direction du champ E. Les premiers suscepteurs 3 et la pièce solide en matériau céramique 4 sont placés à l'intérieur d'un premier confinement thermique 10, formé en partie par les quatre briques illustrées par la photographie.
La figure 3 est une représentation schématique d'une vue de côté de la cavité 9, comportant une pièce 4, et des champs électriques et magnétiques associés à différentes configurations de la cavité 9. Une cavité 9 peut être formée de parois, d'un iris de couplage 19 à l'une de ses extrémités et d'un piston de court circuit 20 à l' autre de ses extrémités. Une première configuration (a) est associée à une position d'un iris de couplage 19 et à une position d'un piston de court circuit 20, repérées par des traits discontinus irréguliers. Une seconde configuration (b) est associée à une autre position d'un iris de couplage 19 et à une autre position d'un piston de court circuit 20, aussi repérées par des traits discontinus irréguliers. Au milieu de la figure 3, l' amplitude du champ électrique (c) et l' amplitude du champ magnétique (d) sont illustrées schématiquement et correspondent à la configuration (a) de la cavité. En bas de la figure 3, l' amplitude du champ électrique (c) et l' amplitude du champ magnétique (d) sont illustrées schématiquement et correspondent à la configuration (b) de la cavité.
Dans les réalisations de l'invention, la pièce 4 est placée en correspondance avec un extremum local de champ électrique ou magnétique. Dans la configuration (a) de la cavité, la pièce 4 est placée en correspondance avec un ventre (ou extremum), de l' amplitude du champ magnétique (d) et avec un nœud du champ électrique (c). Dans la configuration (b) de la cavité, la pièce 4 est placée en correspondance avec un ventre (ou extremum) du champ électrique (c) et avec un nœud du champ magnétique (d). La figure 4 est une représentation schématique d'une méthode de chauffage indirect, différente de l'invention. Le panneau A de la figure 4 est une représentation schématique en vue de dessus de la mise en œuvre d'un chauffage indirect.
Un chauffage indirect met en œuvre au moins un premier suscepteur 3 et un échantillon 18 entouré par le ou les premiers suscepteurs 3. Dans le cas du chauffage indirect, le matériau constituant l'échantillon 18 à chauffer est transparent aux micro-ondes 1 ou opaque aux micro-ondes 1.
Par « transparent », on entend un matériau dont les pertes diélectriques et/ou magnétiques sont sensiblement nulles lorsque le matériau est soumis à un champ micro-ondes 1 à une fréquence donnée. Un matériau transparent possède généralement une conductivité électrique très faible. La conductivité électrique d'un matériau transparent peut être inférieure à 10"8 S. m" 1, préférentiellement inférieure à 10"10 S. m" 1 et plus préférentiellement inférieure à 10" 12 S. m"1. Par « opaque », on entend un matériau réfléchissant le rayonnement des micro-ondes 1 pour une fréquence donnée. Un matériau opaque possède en général une conductivité électrique élevée. La conductivité électrique d'un matériau opaque est préférentiellement supérieure à 103 S. m"1. Dans ce mode de réalisation différent de l'invention, l'interaction entre les micro-ondes 1 et l'échantillon 18 ne permet pas une croissance de la température de l'échantillon 18. En revanche, le suscepteur 3 placé autour de l'échantillon 18 absorbe les micro-ondes 1 et émet un rayonnement infrarouge 2. L'échantillon peut alors être chauffé par un rayonnement infrarouge 2.
Le panneau B de la figure 4 illustre schématiquement un profil de température suivant un axe passant par le centre de l'échantillon 18. Les deux maxima de température de cette mise en œuvre se situent à la distance, correspondant à l' axe d en abscisse, de l'emplacement du premier suscepteur 3. La température au centre de l'échantillon est due principalement à un chauffage par rayonnement infrarouge 2 de la périphérie de l'échantillon et/ou à la convection du milieu entourant l'échantillon, couplés à une conduction thermique au sein de l'échantillon comme expliqué précédemment.
Ce mode de traitement thermique ne permet pas de résoudre le problème technique posé par l' art antérieur : on perd une partie significative du rendement énergétique liée au chauffage par micro-ondes 1.
La figure 5 est une représentation schématique d'une méthode de chauffage direct différente de l'invention. Le panneau A de la figure 5 est une représentation schématique en vue de dessus de la mise en œuvre d'un chauffage direct. Dans le cas du chauffage direct, le matériau constituant l'échantillon 18 à chauffer absorbe les micro-ondes 1 à une fréquence donnée. L'interaction entre les micro-ondes 1 et le matériau absorbant de l'échantillon 18 permet de chauffer l'échantillon. Le panneau B de la figure 5 illustre schématiquement un profil de température suivant un axe passant par le centre de l'échantillon 18. Dans cette mise en œuvre, différente de l'invention, le profil de température présente un maximum au centre de l'échantillon. Le profil peut être différent car il dépend notamment de la taille de l'échantillon 18, du matériau de l'échantillon 18, de la puissance et de la longueur d'onde des micro-ondes 1 émises.
Cette mise en œuvre ne permet pas de résoudre certains problèmes techniques posés par l' art antérieur. Si l'échantillon 18 est une pièce solide en matériau céramique 4, il est possible que le matériau de la pièce ne soit pas apte à être chauffé directement par des micro-ondes 1 à température ambiante. De plus, une pièce 4 poreuse est densifiée lors d'un procédé de traitement thermique à haute température : dans le cas de certains matériaux céramiques, si la densité de la pièce est trop élevée, le volume de pénétration des micro-ondes 1 peut être faible par rapport au volume total de la pièce 4. L'efficacité du chauffage par des micro-ondes 1 est ainsi restreinte, et ne permet pas d' atteindre certaines températures consignes, par exemple des températures supérieures à 700°C.
La figure 6 est une représentation schématique, en vue de dessus, d'une méthode de chauffage hybride selon un mode de réalisation de l'invention. La mise en œuvre de cette réalisation de l'invention comporte une pièce solide en matériau céramique 4. L' échantillon est entouré par un premier suscepteur 3. Dans cette réalisation de l'invention, le premier suscepteur 3 absorbe à une fréquence donnée les micro-ondes 1. Le premier suscepteur 3 émet dans ce cas un rayonnement infrarouge 2 qui contribue au traitement en température de la pièce solide en matériau céramique 4, en particulier lors d'une première phase de croissance de la température de la pièce solide 4, dans laquelle le matériau de la pièce solide 4 est très faiblement apte à interagir avec les micro-ondes 1. En outre, une partie des micro-ondes 1 peut être absorbée, à une fréquence donnée, par la pièce solide en matériau céramique 4. Cette méthode hybride permet de chauffer la pièce solide 4 par la contribution du rayonnement infrarouge et par la contribution du rayonnement micro-ondes 1 : l'intensité locale du champ électromagnétique peut être modérée en comparaison à un chauffage de la pièce 4 équivalent en l' absence de premier suscepteur 3, de manière à limiter la formation d'un plasma 14 au voisinage de la pièce solide en matériau céramique 4 et en initiant une croissance de la température de la pièce solide 4. La figure 7 est une illustration d'une simulation de l'intensité du champ électrique autour d'un suscepteur différent d'un suscepteur mis en œuvre dans l'invention. L'intensité du champ électrique est illustrée par les niveaux de gris de l'illustration, le maximum d'intensité de E correspondant au noir. Dans ce mode de réalisation, un premier suscepteur est un creuset, utile par exemple pour fritter un matériau céramique initialement sous forme de poudre. Ce premier suscepteur peut aussi contenir une pièce solide en matériau céramique 4 comme illustré dans la figure 7. Les lignes de champ électrique E sont illustrées par de fines lignes noires. En l' absence de premier suscepteur et de pièce solide en matériau céramique 4, les lignes de champ seraient verticales. La géométrie du suscepteur en forme de creuset illustrée ne comporte pas seulement des premières surfaces principales 5 dont les génératrices sont parallèles au champ électrique E d'une cavité 9 vide. Les inventeurs ont découvert qu'une ou des premières surfaces principales 5 non parallèles au champ électrique E d'une cavité 9 vide sont particulièrement aptes à entraîner des zones spatiales de forte intensité du champ électrique, ainsi que des discontinuités du champ électrique à la surface d'un premier et/ou second suscepteur, lors de l'émission de micro-ondes 1. Ces zones sont particulièrement aptes à entraîner l' apparition de plasma et/ou d' arcs électriques lors du traitement thermique et/ou de la densification d'une pièce solide en matériau céramique 4. Les inventeurs ont découvert qu'il est possible de réduire ces zones en plaçant uniquement un ou des premiers suscepteurs 3 dont les premières surfaces principales 5 sont parallèles à la direction de E dans une cavité vide, c'est-à-dire dont chaque dite première surface principale 5 est une surface réglée dont les génératrices sont parallèles à E dans une cavité 9 vide. Il est également possible de réduire ces zones en plaçant dans la cavité un ou plusieurs seconds suscepteurs 12 dont chaque dite seconde surface principale 21 est une surface réglée dont les génératrices sont parallèles à E dans une cavité 9 vide.
La figure 8 est un ensemble d'illustrations de simulation de l'intensité du champ électrique autour d'un suscepteur différent d'un suscepteur mis en œuvre dans l'invention. L' intensité du champ électrique est illustrée par les niveaux de gris de l'illustration, le maximum d'intensité de E correspondant au noir.
En particulier, le panneau A de la figure 8 est un détail de la figure 7, correspondant à la partie inférieure du creuset, dont la géométrie ne comporte pas de première surface principale 5 parallèle à E dans une cavité vide. La ligne en pointillée correspond à la surface extérieure du suscepteur agencé au dessus des pointillés. L'intensité, la variation de l'intensité et la discontinuité du champ électrique illustrées dans le panneau A peuvent favoriser l' apparition de plasma et/ou d' arc électrique lors de l'émission de micro-ondes 1. Le panneau B de la figure 8 est un détail de la figure 7, correspondant à la une partie à la droite du creuset illustré en figure 7. Cette partie comporte une première surface principale parallèle au champ E dans une cavité vide. L'intensité moyenne de E est plus faible que l'intensité moyenne illustrée dans le panneau A. L' agencement de cette partie peut permettre une élévation en température suffisante pour un traitement thermique et/ou une densification efficace sans former un plasma et/ou un arc électrique dans la cavité 9.
La figure 9 illustre une cinétique de la température d'une pièce solide 4 en matériau céramique lors d'un traitement thermique selon un mode de réalisation de l'invention. Le matériau céramique utilisé peut être de l' alumine. Dans le mode de réalisation de l'invention dont la cinétique est illustrée, la consigne en température est de 1600°C. Cette consigne est atteinte en moins de 250 min. Trois phases de la cinétiques peuvent être distinguées : une première phase (entre 0 min et environ 40 min) lors de laquelle la pente de la cinétique est en moyenne de 9°C/min, une seconde phase (environ entre 40 min et 150 min) lors de laquelle la pente de la cinétique est en moyenne de 6,5°C/min et une troisième phase (environ entre 150 min et 210 min) lors de laquelle la pente de la cinétique est en moyenne de 3,5°C. Cette cinétique a une influence sur la microstructure du matériau céramique d'une pièce 4. La figure 10 est une micrographie prise en microscopie électronique à balayage d'une coupe de pièce solide 4 en matériau céramique après un traitement thermique selon un mode de réalisation de l'invention. Le matériau céramique utilisé peut être de l' alumine. La barre d'échelle correspond à une longueur de 1 μιη. La microstructure du matériau céramique de la photographie correspond au traitement thermique dont la cinétique est illustrée dans la figure 9. Initialement, avant traitement thermique, la pièce solide en matériau céramique 4 utilisée est une pastille d'oxyde de type alumine, dont le diamètre est par exemple de 80 mm. Après un procédé de densification selon un mode de réalisation de l'invention, la densité mesurée de la pièce solide en matériau céramique 4 est strictement supérieure à 95% (en volume) et les microstructures observées dans le matériau sont fines : en particulier, la figure 10 illustre une microstructure dont le diamètre moyen des grains 17 est inférieur à un micromètre et sensiblement égale à 350 nm. Lorsque les suscepteurs comportent des premières surfaces principales 5 et/ou des secondes surfaces principales 21 non parallèles au champ E d'une cavité 9 vide, l' apparition de plasma peut empêcher d' atteindre cette température de consigne. Dans des modes de réalisation de l'invention, le temps de traitement thermique, correspondant à une étape d'émission des micro-ondes 1 , et la puissance des micro-ondes 1 émises peuvent être paramétrés de manière à traiter thermiquement et/ou à densifier une pièce solide en matériau céramique 4 à une valeur supérieure à 90% de matériau céramique par unité de volume.
Dans des modes de réalisation de l'invention, le matériau céramique d'une pièce 4 peut être polyphasé, et comporter plusieurs phases de matériaux céramiques différents. Les propriétés d'interaction de ces matériaux avec les micro-ondes 1 peuvent être différentes lors d'une émission de micro-ondes 1 de fréquence v0 comprise entre 900 MHz et 1 GHz. L' agencement des différents premiers suscepteurs 3 peut permettre de faire varier la puissance dissipée dans les différentes phases et ainsi de traiter thermiquement et/ou densifier sélectivement certaines, ou au moins une des phases d'un matériau d'une pièce 4.
Avantageusement, deux pièces 4 en céramiques, poreuses ou non, peuvent être traitées thermiquement, de manière à être brasées lors de l'émission de microondes. Un procédé selon l'invention permet dans ce cas d' atteindre les températures conventionnelles de brasage des pièces céramiques en diminuant les risques d' apparition de plasma, en économisant de l'énergie par rapport aux méthodes conventionnelles de brasage et en diminuant le temps nécessaire à atteindre les températures conventionnelles de brasages (qui peuvent être comprise, selon le matériau céramique d'une pièce solide 4, par exemple entre 600°C et 1200°C).

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de traitement thermique d' au moins une pièce solide (4) en matériau céramique dans une cavité (9) micro-ondes, ladite cavité étant formée par une enceinte dont la géométrie est adaptée à la résonance selon un seul mode d'un champ électromagnétique définissant au moins un extremum local du champ électrique ou magnétique dans ladite cavité , à une fréquence v0 comprise entre 900 MHz et 1 GHz, la direction du champ électrique E étant sensiblement uniforme dans ladite cavité vide, comprenant au moins les étapes consistant à : a) placer, dans ladite cavité, au moins une dite pièce en matériau céramique adapté à absorber des micro-ondes (1) à la fréquence v0 et à une température T supérieure ou égale à 700°C, en correspondance avec un dit extremum local de champ électrique ou magnétique, ladite pièce en matériau céramique étant entourée d' au moins un premier suscepteur
(3) dont les dimensions, le matériau et l' agencement sont configurés pour émettre un rayonnement infrarouge directement vers une dite pièce solide lors d'une interaction avec des micro-ondes, chaque dit premier suscepteur comportant au moins une première surface principale (5), chaque dite première surface principale étant une surface réglée dont les génératrices sont parallèles audit champ électrique E dans une dite cavité vide. b) émettre desdites micro-ondes à la fréquence v0 dans ladite cavité.
Procédé selon la revendication précédente dans lequel une dite pièce solide est initialement poreuse et dans lequel on densifie au moins une dite pièce solide par chauffage dans l'étape b).
Procédé selon la revendication précédente dans lequel au moins deux dites pièces solides sont brasées dans l'étape b).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un élément choisi parmi une arête et un sommet d' au moins un dit premier suscepteur est arrondi.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un dit premier suscepteur est en carbure de silicium.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau d' au moins une dite pièce en céramique est choisi parmi de l' alumine et de la zircone.
7. Procédé selon l'une des revendications précédente dans lequel au moins une dite pièce en matériau céramique solide est densifiée de manière à comporter au moins 90% de matériau céramique par unité de volume.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape consistant à placer ledit ou lesdits premiers suscepteurs et ladite ou lesdites pièces en matériau céramique dans un premier confinement thermique (10).
9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel ledit premier confinement thermique est entouré par un ou une pluralité de seconds suscepteurs (12).
10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel ledit agencement dudit ou desdits seconds suscepteurs forme un second volume délimité par ledit ou lesdits seconds suscepteurs et dans lequel les dimensions, le matériau et l' agencement desdits seconds suscepteurs sont configurés pour émettre un rayonnement infrarouge lors d'une interaction avec des micro-ondes.
1 1. Procédé selon la revendication 9 à 10 dans lequel ledit ou lesdits seconds suscepteurs et ledit premier confinement thermique sont agencés dans un second confinement thermique (1 1).
12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 1 1 dans lequel chaque dit second suscepteur comporte au moins une seconde surface principale (21), chaque dite seconde surface principale étant une surface réglée dont les génératrices sont parallèles audit champ électrique E dans une dite cavité vide.
13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12 dans lequel au moins un élément choisi parmi une arête et un sommet d' au moins un dit second suscepteur est arrondi.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau d' au moins un dit suscepteurs (3, 12) est choisi parmi un oxyde réfractaire et semi-conducteur d'un métal de transition, et un carbure.
Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau dudit ou desdits premiers et seconds suscepteurs (3, 12) est choisi parmi du carbure de silicium et de la chromite de lanthane.
Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit matériau céramique comporte plusieurs phases de matériaux céramiques différents et dans lequel les dimensions, le matériau et l' agencement de chaque dit premier suscepteur sont configurés pour traiter thermiquement sélectivement au moins une des dites phases de chaque dite pièce en matériau céramique.
Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on choisit la taille maximale D de ladite pièce de manière à ce que le rapport entre la longueur de pénétration desdites micro-ondes dans ladite pièce et D soit compris entre 0,5 et 10.
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