CA2487320C - Procede de preparation de poudres ceramiques en presence d'une source de carbone, poudres ainsi obtenues et leur utilisation - Google Patents

Procede de preparation de poudres ceramiques en presence d'une source de carbone, poudres ainsi obtenues et leur utilisation Download PDF

Info

Publication number
CA2487320C
CA2487320C CA2487320A CA2487320A CA2487320C CA 2487320 C CA2487320 C CA 2487320C CA 2487320 A CA2487320 A CA 2487320A CA 2487320 A CA2487320 A CA 2487320A CA 2487320 C CA2487320 C CA 2487320C
Authority
CA
Canada
Prior art keywords
process according
preparation process
particles
mixture
ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
CA2487320A
Other languages
English (en)
Other versions
CA2487320A1 (fr
Inventor
Michel Armand
Patrick Charest
Abdelbast Guerfi
Karim Zaghib
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydro Quebec
Original Assignee
Hydro Quebec
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from CA002389555A external-priority patent/CA2389555A1/fr
Application filed by Hydro Quebec filed Critical Hydro Quebec
Priority to CA2487320A priority Critical patent/CA2487320C/fr
Publication of CA2487320A1 publication Critical patent/CA2487320A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of CA2487320C publication Critical patent/CA2487320C/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/63—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
    • C04B35/632—Organic additives
    • C04B35/634—Polymers
    • C04B35/63448—Polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • C04B35/63488—Polyethers, e.g. alkylphenol polyglycolether, polyethylene glycol [PEG], polyethylene oxide [PEO]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G23/00—Compounds of titanium
    • C01G23/003—Titanates
    • C01G23/005—Alkali titanates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G25/00—Compounds of zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/46—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates
    • C04B35/462—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates based on titanates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C04B35/486—Fine ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261—Milling
    • C04B35/62615—High energy or reactive ball milling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625—Wet mixtures
    • C04B35/62635—Mixing details
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/6265—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering involving reduction or oxidation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/62655—Drying, e.g. freeze-drying, spray-drying, microwave or supercritical drying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62802—Powder coating materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62802—Powder coating materials
    • C04B35/62828—Non-oxide ceramics
    • C04B35/62839—Carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/51—Particles with a specific particle size distribution
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/62—Submicrometer sized, i.e. from 0.1-1 micrometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3201—Alkali metal oxides or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3203—Lithium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • C04B2235/3234—Titanates, not containing zirconia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • C04B2235/3237—Substoichiometric titanium oxides, e.g. Ti2O3
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/422—Carbon
    • C04B2235/424—Carbon black
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/48—Organic compounds becoming part of a ceramic after heat treatment, e.g. carbonising phenol resins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5409—Particle size related information expressed by specific surface values
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5436—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof micrometer sized, i.e. from 1 to 100 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5445—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof submicron sized, i.e. from 0,1 to 1 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5454—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof nanometer sized, i.e. below 100 nm
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)

Abstract

La presence invention est relative a un procede de preparation dune poudre ceremique en presence dune poudre de carbone comportant au moins une etape d'homogeneisation du melange des particules susceptibles de resulter en une ceramique par traitement thermique. Ce procede peut etre realise en presence d'un solvant accelere permet d'obtenir, a un coat energetique reduit, des poudres ceramiques enrobees de carbone puis des ceramiques.

Description

PROCÉDÉ DE PRÉPARATION DE POUDRES CÉRAMIQUES
EN PRÉSENCE D'UNE SOURCE DE CARBONE. POUDRES AINSI
OBTENUES ET LEUR UTILISATION
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention est relative à un procédé de préparation de poudres céramiques en présence de carbone. Ce procédé est particulièrement avantageux pour la préparation de poudres céramiques dont la taille moyenne est de l'ordre du nanomètre et comme étape préliminaire à la préparation de céramiques.
La présente invention concerne également les poudres de céramique et les céramiques obtenues par ces procédés, notamment les céramiques conductrices comportant du carbone résiduaire et leur utilitation dans l'industrie.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
On appelle généralement céramiques tout produit fabriqué par traitement thermique notamment à
partir d'argiles, de sables, de feldspaths et/ou de craies.
On désigne dans le cadre de la présente invention, par poudre céramique tout mélange de particules susceptible de résulter après traitement thermique dans une céramique.
Comme précisé notamment dans le Tome 3 du Grand Larousse Universel publié par Actualia, les céramiques, au pluriel, sont tous les métaux manufacturés ou tous les produits qui sont chimiquement inorganiques, exception faite des métaux et de leur alliages, et qui sont obtenus, généralement, par des traitements à haute température.
La littérature répertorie différents type de céramiques, il s'agit notamment des céramiques traditionnelles telles que les verres, les liants hydrauliques (ciment, chaux) et les émaux sur tôle.
Les autres céramiques s'ont habituellement classées en deux catégories, d'après la nature de la pâte cuite utilisée pour leur préparation.

Il s'agit tout d'abord des produits de type poreux caractérisés par une cassure terreuse et par une pâte perméable, ainsi les poteries à pâte perméable plus ou moins colorée en rouge par l'oxyde de fer telles que les terres cuites, les poteries vernissées, la faïence stannifère, les produits réfractaires résistant aux hautes températures, les poteries à pâte perméable blanche et fine telles que les faïences fines.
Il s'agit également des produits céramiques imperméables tels que les grès cérames, les porcelaines dont la pâte est dure et les porcelaines sanitaires.
Le Tome 3 du Grand Larousse Universel édité par Actualia mentionne également les nouvelles céramiques qui correspondent à de très nombreuses catégories dont les oxydes, les carbures, les nitrures, les borures et les siliciures. Ces produits principalement obtenus à
partir de poudres sont communément appelés produits frittés. Cette catégorie couvre les composés ayant une structure physico-chimique de type binaire, alors que les céramiques traditionnelles silicatées correspondent, elles, à un mélange d'oxydes en proportions variables.
Les céramiques de type techniques sont utilisées dans les secteurs de haute technologie comme l'industrie nucléaire, l'aéronautique, l'informatique et l'électronique.
Les récents progrès de la science des matériaux ont élargi le champ d'application des céramiques à de nouvelles applications basées sur les propriétés électriques, magnétiques, optiques, piézoélectriques, mécaniques et nucléaires et qui exploitent la nature des matières premières utilisées, qu'il s'agisse d'oxydes ou de non oxydes tels que des carbures ou des nitrures, produits de l'industrie chimique.
Anciennement, l'argile et le silicate d'alumine hydratée (Si02 AL03 H20) constituaient principalement la matière première utilisée pour la fabrication des céramiques décoratives, de carreaux, de sanitaires et de quelques réfractaires.
Depuis, l'emploi d'autres matières premières naturelles ou synthétiques de type alumine frittée, silice, composés silico-alumineux magnésiens (cordiérite, mullite, stéatite) a été à l'origine du développement des céramiques dites techniques.
Ainsi l'utilisation des alcalino-terreux, du carbone ainsi que de l'azote a permis de développer des phases nouvelles telles que les oxynitrures, les sialons, et les carbure utilisés dans les céramiques de pointe.
2 =

La notion de matière première aussi appelée mélange de précurseurs s'est donc élargie avec le temps, il s'agit en fait de matériaux ayant subi une préparation extrêmement complexe.
¨ les poudres (oxydes, nitrures, carbures...): grâce à de nouveaux procédés d'élaboration, on obtient des poudres, de granulométrie contrôlée et d'une grande pureté chimique, le produit final s'obtient alors par une mise en forme puis par traitement thermique;
¨ les fibres courtes monocristallines: des fibres courtes de l'ordre de quelques fractions de millimètres sont dispersées dans un matrice qui peut être organique, métallique ou céramique, les "wiskers" de carbure de silicium servent à la réalisation de matériaux composites à forte résistance mécanique;
¨ les précurseurs organométalliques: par thermolyse, certains molécules organiques complexes donnent naissance à des carbures ou à des nitrures (SiC, Si3N4...) utilisés notamment dans l'industrie réfractaire pour développer un produit de haute technicité, enfin l'industrie chimique a fourni aux céramistes des molécules jouant un rôle de liants ou de plastifiants (alcool polyvinylique, carboxyméthylecellulose, alginate, cire...) permettant l'accès à de nouveaux procédés de façonnage, comme le pressage à sec, l'injection thermoplastique, et le coulage en bande.
Les céramiques récemment développées sont souvent qualifiées de céramiques fines ou de céramiques techniques. Cette qualification s'applique car la matière première est une poudre minérale mise en forme pour produire l'objet, et le traitement thermique est nécessaire pour lui donner les caractéristiques recherchées.
Les céramiques sont des matériaux poly-cristallins, polyphasés dont les propriétés finales du produit sont conditionnées pour les propriétés intrinsèques des constituants. Ainsi la combinaison de grains conducteurs et de joints isolants est essentielle pour les propriétés associées à plusieurs composants céramiques utilisables dans le domaine de l'électronique.
La mise au point de microstructures particulières notamment celles incluant du zircone et un renfort par fibres, confère aux céramiques une contrainte à la rupture du niveau de celle des métaux, tout en gardant une tenue en température nettement supérieure.
3 Les céramiques légères se sont révélées représenter des matériaux idéaux pour l'aéronautique.
Par ailleurs la mise au point de céramiques ayant une porosité déterminée permet la fabrication de membranes de grandes utilité dans les techniques environnementales et dans l'industrie agroalimentaire. L'emploi de poudres nanométriques et de matériaux à gradients de composition permet quant à elle la préparation de nouveaux produits céramiques.
Parmi les procédés récemment développés pour l'élaboration de nouvelles céramiques on peut citer, à titre d'exemple, le coulage en bande, le pressage isostatique et le moulage par injection ou par extrusion.
De plus, la plasticité nécessaire pour l'opération de mise en forme des céramiques est assurée par l'emploi de liants ou de plastifiants, de produits organiques comme les cires, la cellulose ou les composés acryliques, dans les procédés de préparation des céramiques.
Récemment des techniques de coagulation (sol - gel) d'une grande facilité de mise en oeuvre ont été développées.
Enfin, les céramiques présentent l'avantage de pouvoir être préparées sous forme de couches minces ou épaisses, et de n'utiliser ainsi que des quantités limitées de matière première.
Ainsi utilisées comme revêtement, les céramiques jouent un rôle de protection, contre notamment l'usure, la corrosion et/ou la chaleur. Elles sont également susceptibles de s'intégrer avec leurs spécificités de capteurs électrochimiques, de mémoires ferroélectriques,et/ou d' électrodes transparentes dans des systèmes plus complexes, comme ceux que l'on rencontre dans l'électronique et dans la micromécanique.
Les céramiques techniques sont utilisées dans tous les grands secteurs de l'activité industrielle comme cela est mentionné dans la publication Les Applications, extraite du document Les Céramiques", édité par Le Centre Européen de la Céramique, Limoges, France.
Malgré un niveau élevé de performances associé aux céramiques le développement de ces dernières est encore relativement limité, cela provient du fait que les procédés de fabrication des céramiques généralement utilisés sont longs et complexes. Un autre des nombreux facteurs limitatifs au développement des céramiques réside dans le coût énergétique élevé qui associé
avec leur préparation. Il existait donc un besoin pour la mise au point de nouveaux procédés de préparation des céramiques d'une productivité et d'une rentabilité améliorées.
4 DANS LES DESSINS
La Figure 1: illustre un procédé conventionnel de préparation de céramiques, ce procédé
met en oeuvre une succession de traitements thermiques et de broyage des particules retenues pour former la poudre céramique.
La Figure 2: illustre un mode de réalisation du procédé selon l'invention permettant la préparation accélérée de céramique dans lequel la poudre est soumise à un nombre limité de séquences.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
La présente invention est relative à un procédé de préparation d'une poudre céramique en présence d'une poudre de carbone comportant au moins une étape d'homogénéisation du mélange des particules susceptibles de résulter en une céramique par traitement thermique. Ce procédé
accéléré permet d'obtenir, à un coût énergétique réduit, des poudres céramiques puis des céramiques.
La présente invention est également relative à un procédé de préparation d'une poudre céramique à partir d'un mélange de précurseurs de ladite poudre et en présence d'au moins une source de carbone sous forme solide, comprenant au moins une des étapes suivantes :
a) d'homogénéisation par mécano-fusion, en présence de la source de carbone et en présence d'un solvant, pour obtenir un mélange intime, des particules de précurseur susceptibles de résulter en une céramique par traitement thermique;
b) d'élimination du solvant présent dans le mélange intime obtenu dans l'étape a); et c) de carbonisation de la source de carbone résiduelle présente dans le mélange intime de précurseurs obtenu dans l'étape a) ou b) lorsque la source de carbone n'est pas essentiellement constituée de carbone, par traitement thermique dudit mélange intime obtenu dans l'étape a) ou b);
au moins l'étape c) est réalisée en présence d'une source d'oxygène pour éliminer toute trace de carbone résiduaire.
5 La présente invention est aussi relative à une poudre céramique obtenue par le procédé défini précédemment.
La présente invention vise également l'utilisation d'une poudre céramique définie précédemment dans le domaine des piles à combustible ou dans le domaine de l'automobile.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
Un premier objet de la présente invention réside dans un procédé de préparation d'une poudre céramique à partir d'un mélange de précurseurs, en présence d'au moins une source de carbone qui est sous forme liquide, solide, gazeuse ou sous forme hétérogène. La source de carbone utilisée est par exemple sous la forme de particules de graphite en suspension dans un hydrocarbure ou dans un résidu de raffinerie.
Le procédé est avantageusement réalisé en présence d'un solvant ayant pour fonction de disperser les précurseurs du mélange de départ qui va être soumis à homogénéisation et plus particulièrement d'éviter la formation d'agglomérats de précurseurs. Ce solvant est de préférence de type organique et il est préférentiellement choisi dans le groupe constitué
par l'eau, les solvants organiques et les solvants inorganiques. Parmi les solvants organiques on retient de préférence les alcools, les esters et les cétones.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, la source de carbone utilisée pour la mise en oeuvre du procédé est sous forme liquide et elle est constituée par:
5a - un ou plusieurs hydrocarbures, de préférence par un mélange d'hydrocarbures liquides à température ambiante tel que des résidus de raffinerie, de préférence du coke de pétrole ou du coke de brie; ou - un ou plusieurs polymères ayant un poids moléculaire supérieur à 50.000, de préférence par un mélange de ou à base de polymères oxygénés tel qu'un mélange d'oxyde de propylène dans l'acétonitryle.
Selon un autre mode avantageux de réalisation, la source de carbone sous forme solide est choisie dans le groupe constitué par les particules de carbone synthétique ou naturel, tel que les particules de noir de Ketjen, de noir de Shawinigam ou d'un mélange de ces derniers.
De façon préférée, la source solide de carbone utilisée présente une pureté
supérieure à 50 % et les impuretés lorsqu'elles sont présentes sont préférentiellement choisies dans le groupe constitué par le soufre, l'azote, et l'oxygène.
Lorsque la source de carbone est sous forme gazeuse elle est choisie dans le groupe constitué par les alcanes, les alcènes, les alcynes ou un mélange de ces derniers. Comme source gazeuse ont utilise préférentiellement un gaz tel que CH4, C2H6, C2H2 ou un mélange de ces derniers.
Le procédé de préparation d'une poudre céramique selon l'invention comprend au moins une des étapes suivantes:
a) l'homogénéisation, en présence de la source de carbone et éventuellement en présence d'un solvant, pour obtenir un mélange intime, de préférence par broyage, plus préférentiellement encore par broyage à haute énergie, d'un mélange de particules susceptibles de résulter en une céramique par traitement thermique;
b) l'élimination du solvant utilisé; et c) la carbonisation, du carbone résiduel présent dans le mélange obtenu dans l'étape a) ou b) lorsque la source de carbone n'est pas essentiellement constituée de carbone, par traitement thermique dudit mélange intime obtenu dans l'étape a) ou b).
6 L'élimination du solvant du mélange intime obtenu dans l'étape a) se fait à
une température comprise de préférence entre 40 et 150 degrés Celsius, plus préférentiellement encore à
une température comprise entre 60 et 120 degrés Celsius.
L'introduction de la source de carbone et du solvant se fait préférentiellement au début de l'étape a) mais peut être également réalisée au cours de l'étape a).
La réalisation du procédé sous une atmosphère réductrice formée de préférence par de l'azote, de l'argon ou un mélange de ces derniers permet l'obtention de particules de poudre céramique enrobées de carbone.
De façon avantageuse, la source solide de carbone est constituée par des particules de carbone ayant une taille qui varie entre 10 et 900 nanomètres et présentant une surface spécifique mesurée selon la méthode BET qui est supérieure à 50 m2/g.
Selon un mode particulièrement intéressant de mise en oeuvre du procédé, le mélange de particules susceptible de résulter en céramique par traitement thermique est un mélange de particules de Zr02 et de particules de Y203. Ce mélange est constitué de préférence de x pour cent en poids de particules de Zr02 et de (100-x) pour cent en poids de particules de Y203, avec x variant de 1 à 99.
De façon encore plus avantageuse, x est voisin de 50.
Selon un autre mode particulier de réalisation de la présente invention, le mélange de particules susceptible de résulter en céramique par traitement thermique et qui est utilisé pour la mise en uvre du procédé, est constituée de particules de Li2CO3 et de particules de Ti02.
Ce mélange est constitué
de x pour cent en poids de particules de Li2CO3 et de (100-x) pour cent en poids de particules de Ti02., avec x variant de 1 à 99. De façon encore plus avantageuse, x est voisin de 50.
Selon un autre mode particulier, le mélange de particules susceptible de résulter en céramique par traitement thermique est constitué de particules de Li2CO3 et de particules de Ti02. Ce mélange est constitué de x pour cent en poids de particules de Li2CO3 et de (100-x) pour cent en poids de particules de Ti02, avec x variant de préférence entre 1 et 92. La source de carbone est alors préférentiellement constituée par un polymère à base de polyoxyde d'éthylène.
Ce polyoxyde d'éthylène ayant de préférence un poids moléculaire moyen de 54.000 et il est avantageusement
7 dissout avant la mise en oeuvre de l'étape d'homogénéisation dans un solvant aqueux ou organique tel que l'acétonitrile.
Pour la mise en uvre du procédé, les particules du mélange susceptible de résulter en une céramique présentent avantageusement une taille comprise entre 1 nanomètre et 10 micromètres.
Cette taille est de façon encore plus avantageuse comprise entre 20 et 800 nanomètres.
Des résultats particulièrement avantageux sont obtenu lors de la mise en oeuvre du procédé de préparation avec des particules de Zr02, Y203, TiO2 ou Li2TiO3 dont la taille varie entre 1 et 10 microns.
Parmi les poudres de carbone, on retiendra particulièrement celles qui présentent une répartition granulométrique caractérisée par une D50 comprise entre 10 nanomètres et 10 micromètres, plus particulièrement encore celles ayant une D50 comprise entre 100 nanomètres et 2 micromètres.
Lorsque la poudre de la source de carbone est constituée par un polymère ou par un hydrocarbure sous forme de poudre, ont retiendra avantageusement les poudres correspondantes qui présentent une D50 de 10 à 500 nanomètres, et on préfèrera encore celles dont la D50 varie de 100 à 200 nanomètres.
En ce qui concerne les particules de la source susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique, on privilégiera celles présentant une répartition granulométrique caractérisée par une D50 comprise entre 10 nanomètres et 10 micromètres. Celles présentant une D50 comprise entre 100 nanomètres et 2 micromètres présentent un intérêt particulier.
D'une façon générale des résultats intéressants sont obtenus lorsque les diverses particules utilisées dans le procédé ont des caractéristiques granulométriques sensiblement similaires, et plus particulièrement caractérisées par des D50 inférieures ou égales à 1 micromètre.
Lorsque l'homogénéisation se fait dans l'étape a) du procédé par voie sèche, on utilise de préférence un mélangeur Aglomaster de la compagnie HOSOKAWA. Lorsque l'homogénéisation se fait dans l'étape a) par voie solvant on utilise avantageusement un dispositif de mécano-fusion de la Compagnie HOSOKAWA, Japan. La vitesse d'homogénéisation est, en particulier, pour les mélangeurs de type Aglomaster de préférence comprise entre 1500 et 3000 tours/minutes.
8
9 PC T/CA03/00795 La durée de l'étape a) est généralement comprise entre 1 et 3 heures. Elle est plus préférentiellement encore d'environ 2 heures.
La durée de l'étape c) est, quant à elle, de 2 à 24 heures. Elle est plus préférentiellement encore d'environ 3 heures.
Selon un mode avantageux de réalisation de 'invention les étapes sont réalisées sous atmosphère inerte, afin de garder le carbone dans le produit final, de préférence sous azote ou sous argon, ou sous un mélange de ces derniers. Sinon, le carbone est oxydé et éliminé par évaporation sous forme de gaz carbonique.
Dans le cas où l'on souhaite éliminer toute trace de carbone résiduaire dans la poudre céramique obtenue en fin de procédé, on réalise alors au moins une étape du procédé en présence d'une source d'oxygène telle que l'air ou de l'oxygène pur. Cette précaution est nécessaire en particulier dans le cas ou la présence de carbone résiduaire pourrait nuire à la qualité de la céramique que l'on souhaite préparer à partir de cette poudre.
La source de carbone peut être en partie sous forme liquide et/ou gazeuse.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'étape b) l'élimination du solvant est réalisée à une température comprise entre 200 et 500 degré Celsius, et plus préférentiellement encore à une température d'environ 400 Celsius. La durée de ce traitement thermique est quant à elle avantageusement comprise entre 12 et 24 heures, et de préférence d'environ 20 heures.
Selon un mode préférentiel de réalisation de la présente invention, l'étape de carbonisation est réalisée dans le réacteur ayant servi à réaliser l'homogénéisation du mélange susceptible de résulter en céramique par traitement thermique.
Le procédé de préparation selon l'invention permet notamment d'obtenir une poudre céramique dont les particules présentent une granulométrie comprise entre 10 nanomètres et 1 micron. La taille des particules de la poudre céramique obtenue est avantageusement comprise entre 50 et 500 nm.

Dans l'étape a) d'homogénéisation, la température est réglée de façon avantageuse entre 20 et 40 Celsius, plus préférentiellement encore cette température est d'environ 25 C.
Dans l'étape b) de carbonisation, la température est avantageusement réglée entre 700 et 1.200 Celcius, plus préférentiellement encore cette température est d'environ 1.100 C.
De façon avantageuse, la quantité de la source de carbone utilisée dans le procédé représente de 2 à
% en poids, de préférence environ 6 % en poids du mélange de particules susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique.
Préférentiellement, la source de carbone est un polymère et la quantité de polymère utilisée représente de 5 à 30 % en poids, de préférence environ 20 % en poids, plus préférentiellement encore environ 10 % en poids du mélange de particules susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique.
Dans le mode particulier dans lequel un mélange de poudre de Y203 est de Zr02 est utilisé pour la préparation de la poudre céramique, la quantité de Y203 dans le mélange de particules soumis à
broyage varie entre 5 et 15 % et celui de la quantité de Zr02 varie de 5 à 15 % en poids.
Le procédé de préparation selon la présente invention permet avantageusement d'obtenir une poudre céramique présentant à la fin de l'étape b) ou à la fin de l'étape c) une structure de type nano, plus préférentiellement encore la taille des particules céramiques ainsi obtenues est comprise entre 10 et 900 nanomètres.
Un deuxième objet de la présente invention est constitué par les poudres céramiques susceptibles d'être obtenues par l'un des procédés objet de la présente invention. Ces poudres se caractérisant notamment par une répartition granulométrique homogène et/ou par une teneur en carbone résiduel située entre 0,05 et 10 %.
Un troisième objet de la présente invention est constitué par un procédé de préparation d'une céramique incorporant les étapes de préparation d'une poudre céramique, étapes définies dans le cadre du premier objet de l'invention ainsi qu'une étape finale dans laquelle la poudre de céramique obtenue est soumise, selon un mode habituel de transformation des poudres céramiques en céramique, à au moins un traitement thermique à une température supérieure à
800 Celcius, pendant une durée qui est de préférence comprise entre 3 et 24 heures.
Un quatrième objet de la présente invention est constitué par une céramique susceptible d'être obtenue par le procédé selon le troisième objet de la présente invention.
Parmi ces céramiques, celles contenant du carbone résiduel sont d'un intérêt particulier en raison de leur conductivité.
Un cinquième objet de la présente invention est constitué par l'utilisation d'une poudre ou d'une céramique selon l'invention dans le domaine des piles à combustible ou dans le domaine de l'automobile, plus particulièrement encore dans la préparation de têtes de piston.
Ces poudres et céramiques sont également avantageusement utilisées pour la préparation d'anodes ou d'électrolytes céramiques et celles dépourvues de carbone résiduaire sont avantageusement utilisées dans la fabrication d'isolants électriques.
DESCRIPTION DE MODES PRÉFÉRENTIELS DE RÉALISATION DE L'INVENTION
Le procédé de préparation de poudre céramique selon la présente invention est avantageusement réalisé en deux étapes comme illustré dans la Figure 2.
La première étape de préparation de la poudre céramique consiste par exemple dans la préparation en présence de carbone d'une poudre à partir d'un mélange de préférence de Zr02 et de Y203, par broyage mécanique à haute énergie pendant de préférence de 1 à 2 heures, jusqu'à ce que le mélange devienne intime.
La deuxième étape de préparation de la céramique consiste dans le chauffage de la poudre obtenue dans la première étape, de préférence à une température de 850 C, préférentiellement pendant 3 heures. La poudre céramique ainsi obtenue est une poudre nanométrique. La formation de la céramique est mise en évidence par diffraction au rayons X.
Ce procédé est simple à mettre en uvre du fait qu'il ne comporte que deux étapes, de plus ces étapes sont courtes et ne nécessitent qu'un faible apport énergétique. Enfin, autre avantage, la forme nano est obtenue après seulement 5 heures.

De plus l'énergie nécessaire pour la fabrication de la poudre céramique est négligeable, elle est d'environ 17 KWh, comme illustré sur la Figure 2 jointe.
Le procédé de préparation de céramique selon la présente invention inclus une étape de formation de la céramique au cours de laquelle la poudre céramique obtenue est soumise à un traitement thermique à une température supérieure à 800 C
EXEMPLES
Les exemples suivants sont donnés à titre purement illustratif et ne sauraient être interprétés comme constituant une quelconque limitation de l'invention.
Procédé conventionnel de préparation de céramique La Figure 1 jointe illustre un de ces procédés de fabrication de céramique en plusieurs étapes de broyage et de traitement thermique. La durée d'un tel procédé est d'environ 150 heures, l'énergie mise en oeuvre pour la préparation d'environ 1 kg de céramique est de l'ordre de 600 kWh, ce qui génère des coûts de production non négligeables Exemple 1 - Préparation à sec d'une poudre céramique de particules de LiTi204 enrobées de carbone Étape préliminaire de préparation d'une poudre de Li2TiO3 Cette étape consiste à mélanger 20 grammes d'une poudre de TiO2 d'une taille de particules de 20 nanomètres, de structure anatase (de la Société Kronoss, intallée à Varennes -Canada) avec 18.5g d'une poudre de Li2CO3 d'une taille de particules de 500 nanomètres (commercialisée par la société Aldrich, Canada).
Après une homogénéisation intime réalisé par cobroyage pendant 1 heure, une poudre à fine granulométrie est obtenue. Ce cobroyage se fait par chauffage en deux étapes successives, à
400 C puis à 750 C, respectivement pendant 1 et 10 heures. Un produit (A) de Li2TiO3 de structure stoechiométrique est alors obtenu.

Préparation de LiTi204 Dans cette deuxième étape un mélange (B) constitué de 10 grammes du produit (A) de formule Li2TiO3, obtenu dans l'étape préliminaire, est mélangé avec 10.8 grammes de Ti02, 19.4 grammes de Ti203 (Aldrich, Canada) et 2.4 grammes de carbone black de Shawinigan.
Après un broyage intime pendant 1 heure à température ambiante, une poudre à
fine granulométrie est obtenue. Le mélange obtenu est réchauffé à nouveau sous argon pendant 15 heures.
Le produit final obtenu est une poudre céramique de structure de type LiTi204.
Exemple 2 - Préparation à sec des particules de LiTi204 enrobées de carbone induit par un polymère Cette préparation est réalisée de la même façon que dans l'exemple 1, à
l'exception prêt que la source de carbone solide est remplacée par un polymère à base de POE i.e par un polyoxyde d'éthylène de poids moléculaire moyen de 900.000. Le polymère étant dissout dans un excès d'eau puis mélangé avec la composition (B) sans carbone.
Les poids des différentes poudres utilisées sont les mêmes que dans l'exemple 1 et le poids du polymère est de 25 grammes. Le mélange est séché d'abord à 120 C pendant 24 heures. Après un broyage intime pendant 1 heures, une poudre à fine granulométrie est obtenue. Le mélange obtenu est réchauffé à nouveau sous argon pendant 15 heures. Le produit final à une structure de type LiTi204.
Exemple 3 - Préparation des céramiques par chauffage des poudres céramiques obtenues dans les exemples 1 et 2, à une température supérieure à 750 degrés celcius et pendant plus de 15 heures, une céramique est obtenue.
Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide de mises en oeuvre spécifiques, il est entendu que plusieurs variations et modifications peuvent se greffer aux dites mises en oeuvre, et la présente invention vise à couvrir de telles modifications, usages ou adaptations de la présente invention suivant en général, les principes de l'invention et incluant toute variation de la présente description qui deviendra connue ou conventionnelle dans le champ d'activité
dans lequel se retrouve la présente invention, et qui peut s'appliquer aux éléments essentiels mentionnés ci haut, en accord avec la portée des revendications suivantes.

Claims (62)

REVENDICATIONS
1. Procédé de préparation d'une poudre céramique à partir d'un mélange de précurseurs de ladite poudre et en présence d'au moins une source de carbone sous forme solide, comprenant au moins une des étapes suivantes :
a) d'homogénéisation par mécano-fusion, en présence de la source de carbone et en présence d'un solvant, pour obtenir un mélange intime, des particules de précurseur susceptibles de résulter en une céramique par traitement thermique;
b) d'élimination du solvant présent dans le mélange intime obtenu dans l'étape a); et c) de carbonisation de la source de carbone résiduelle présente dans le mélange intime de précurseurs obtenu dans l'étape a) ou b) lorsque la source de carbone n'est pas essentiellement constituée de carbone, par traitement thermique dudit mélange intime obtenu dans l'étape a) ou b);
au moins l'étape c) est réalisée en présence d'une source d'oxygène pour éliminer toute trace de carbone résiduaire.
2. Procédé de préparation selon la revendication 1, ledit procédé étant au moins partiellement réalisé en présence d'un solvant qui facilite l'homogénéisation du mélange de précurseurs de ladite poudre céramique utilisée au départ dudit procédé.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la source de carbone sous forme solide est choisie dans le groupe constitué par les particules de carbone synthétique, naturel et un mélange de ces derniers.
4. Procédé de préparation selon la revendication 3, dans lequel les particules de carbone sont des particules de noir de Ketjen, de noir de Shawinigan ou d'un mélange de ces derniers.
5. Procédé de préparation selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la source de carbone sous forme solide utilisée présente une pureté supérieure à 50 %.
6. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les impuretés présentes dans la source de carbone sous forme solide sont choisies dans le groupe constitué par le soufre, l'azote et l'oxygène.
7. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la température dans l'étape b) d'élimination du solvant est comprise entre 40 et 150° Celsius.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la température d'élimination du solvant est comprise entre 60 et 120° Celsius.
9. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la source de carbone ainsi que le solvant sont introduits dans l'étape a).
10. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel la source de carbone sous forme solide est constituée par des particules de carbone ayant une taille qui varie entre 10 et 900 nanomètres.
11. Procédé de préparation selon la revendication 10, dans lequel les particules de carbone utilisées ont une surface spécifique mesurée selon la méthode BET qui est supérieure à
50 m2/g.
12. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le mélange de particules susceptible de résulter en céramique par traitement thermique est un mélange de particules de ZrO2 et de particules de Y2O3.
13. Procédé de préparation selon la revendication 12, dans lequel le mélange de particules de ZrO2 et de particules de Y2O3 est un mélange constitué de x pourcent en poids de particules de ZrO2 et de (100-x) pourcent en poids de particules de Y2O3, avec x variant de 1 à 99.
14. Procédé de préparation selon la revendication 13, dans lequel x est voisin de 50.
15. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel le mélange de particules susceptible de résulter en céramique par traitement thermique est un mélange de particules de Li2TiO3 et de particules de TiO2.
16. Procédé de préparation selon la revendication 15, dans lequel le mélange de particules de Li2TiO3 et de particules de TiO2 est un mélange constitué de x pourcent en poids de particules de Li2TiO3 et de (100-x) pourcent en poids de particules de TiO2, avec x variant de 1 à 99.
17. Procédé de préparation selon la revendication 16, dans lequel x est voisin de 50.
18. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, dans lequel la source de carbone est un polymère à base de polyoxyde d'éthylène.
19. Procédé de préparation selon la revendication 18, dans lequel le polyoxyde d'éthylène a un poids moléculaire moyen de 54000.
20. Procédé de préparation selon la revendication 18 ou 19, dans lequel le polyoxyde d'éthylène est dissous avant la mise en oeuvre dans l'étape a) dans un solvant aqueux ou organique.
21. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, dans lequel les particules du mélange susceptible de résulter en une céramique ont une taille comprise entre 1 nanomètre et 10 micromètres.
22. Procédé de préparation selon la revendication 21, dans lequel les particules du mélange susceptible de résulter en une céramique ont une taille comprise entre 20 et nanomètres.
23. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel les particules de ZrO2 ou Y2O3 ont une taille qui varie entre 1 et 10 microns.
24. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 15 à 20, dans lequel les particules TiO2 ou Li2TiO3 ont une taille qui varie entre 1 et 10 microns.
25. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, dans lequel la source solide de carbone présente une répartition granulométrique caractérisée par une D50 comprise entre 10 nanomètres et 10 micromètres.
26. Procédé de préparation selon la revendication 25, dans lequel la source de carbone présente une répartition granulométrique caractérisée par une D50 comprise entre 100 nanomètres et 2 micromètres.
27. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, dans lequel la source de carbone sous forme solide est constituée par un polymère ou par un hydrocarbure sous forme de poudre dont les particules présentent une D50 de 10 nanomètres à

nanomètres.
28. Procédé de préparation selon la revendication 27, dans lequel les particules présentent une D50 de 100 à 200 nanomètres.
29. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 28, dans lequel la source susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique présente une répartition granulométrique caractérisée par une D50 comprise entre 10 nanomètres et 10 micromètres.
30. Procédé de préparation selon la revendication 29, dans lequel la source susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique présente une répartition granulométrique caractérisée par une D50 comprise entre 100 nanomètres et 2 micromètres.
31. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 30, dans lequel les particules utilisées ont des granulométries voisines, caractérisées par des D50 inférieures ou égales à 1 micromètre.
32. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 30, dans lequel la durée de l'étape a) est comprise entre 1 et 3 heures.
33. Procédé de préparation selon la revendication 32, dans lequel la durée de l'étape a) est d'environ 2 heures.
34. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 32, dans lequel la durée de l'étape c) est de 3 à 24 heures.
35. Procédé de préparation selon la revendication 34, dans lequel la durée de l'étape c) est d'environ 3 heures.
36. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 35, dans lequel au moins une des étapes est réalisée sous atmosphère inerte.
37. Procédé de préparation selon la revendication 36, dans lequel au moins une des étapes est réalisée sous atmosphère d'azote, d'argon ou un mélange des deux.
38. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 37, dans lequel au moins une étape du procédé est réalisée en présence d'oxygène pur afin d'éliminer toute trace de carbone résiduaire dans la poudre céramique obtenue en fin de procédé.
39. Procédé de préparation selon la revendication 1, dans lequel l'étape b) d'élimination du solvant est réalisée à une température comprise entre 200 et 500°
Celsius et pendant une durée du traitement thermique comprise entre 12 et 24 heures.
40. Procédé de préparation selon la revendication 39, dans lequel la température est d'environ 400°C et la durée du traitement thermique est d'environ 20 heures.
41. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 40, dans lequel les particules de la poudre de céramique obtenue ont une granulométrie comprise entre 10 nm et 1 micron.
42. Procédé de préparation selon la revendication 41, dans lequel la taille des particules de la poudre céramique obtenue est comprise entre 50 et 500 nm.
43. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 42, dans lequel la température, dans l'étape a) d'homogénéisation, varie de 20 à 40°
Celsius.
44. Procédé de préparation selon la revendication 43, dans lequel la température dans l'étape a) est d'environ 25° Celsius.
45. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 44, dans lequel la température dans l'étape c) de carbonisation est comprise entre 200 et 450° Celsius.
46. Procédé de préparation selon la revendication 45, dans lequel la température dans l'étape c) est d'environ 400° Celsius.
47. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 44, dans lequel la température dans l'étape c) de carbonisation est comprise entre 700 et 1200° Celsius.
48. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 47, dans lequel la quantité de la source de carbone sous forme solide utilisée dans ledit procédé
représente de 2 à 10 % en poids du mélange de particules susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique.
49. Procédé de préparation selon la revendication 48, dans lequel la quantité
de la source de carbone sous forme solide utilisée dans ledit procédé représente environ 6 %
en poids du mélange de particules susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique.
50. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 47, dans lequel la source de carbone sous forme solide est un polymère et la quantité de polymère utilisée dans ledit procédé représente de 5 à 30 % en poids du mélange de particules susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique.
51. Procédé de préparation selon la revendication 50, dans lequel la source de carbone sous forme solide est un polymère et la quantité de polymère utilisée dans ledit procédé
représente environ 20 % en poids du mélange de particules susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique.
52. Procédé de préparation selon la revendication 51, dans lequel la source de carbone sous forme solide est un polymère et la quantité de polymère utilisée dans ledit procédé
représente environ 10 % en poids du mélange de particules susceptible de résulter en une céramique par traitement thermique.
53. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel la quantité de Y2O3 dans le mélange de particules soumis à broyage varie entre 5 et 15 % et celui de la quantité de ZrO2 varie de 5 à 15 % en poids.
54. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 53, dans lequel la poudre céramique obtenue dans l'étape b) ou dans l'étape c) est de type nano.
55. Procédé de préparation selon la revendication 54, dans lequel la taille des particules céramiques obtenues est comprise entre 10 et 900 nanomètres.
56. Poudre céramique obtenue par l'un des procédés défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 55.
57. Procédé de préparation d'une céramique incorporant les étapes de procédé
définies dans l'une quelconque des revendications 1 à 55 et une étape dans laquelle la poudre de céramique obtenue est soumise à au moins un traitement thermique à une température supérieure à 800° Celsius, pendant une durée qui est comprise entre 3 et 24 heures.
58. Céramique obtenue par le procédé selon la revendication 57.
59. Utilisation d'une poudre céramique selon la revendication 56 ou d'une céramique selon la revendication 58 dans le domaine des piles à combustible ou dans le domaine de l'automobile.
60. Utilisation selon la revendication 59 pour la préparation de têtes de piston.
61. Utilisation selon la revendication 59 pour la préparation d'anodes ou d'électrolytes céramiques.
62. Utilisation d'une poudre céramique telle qu'obtenue par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 55 dans la fabrication de céramiques isolants électriques.
CA2487320A 2002-05-30 2003-05-27 Procede de preparation de poudres ceramiques en presence d'une source de carbone, poudres ainsi obtenues et leur utilisation Expired - Lifetime CA2487320C (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA2487320A CA2487320C (fr) 2002-05-30 2003-05-27 Procede de preparation de poudres ceramiques en presence d'une source de carbone, poudres ainsi obtenues et leur utilisation

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA2,389,555 2002-05-30
CA002389555A CA2389555A1 (fr) 2002-05-30 2002-05-30 Procede de preparation de poudres ceramiques en presence de carbone, poudres ainsi obtenues et leur utilisation
PCT/CA2003/000795 WO2003101909A1 (fr) 2002-05-30 2003-05-27 Procédé de préparation de poudres céramiques en présence d'une source de carbone, poudres ainsi obtenues et leur utilisation
CA2487320A CA2487320C (fr) 2002-05-30 2003-05-27 Procede de preparation de poudres ceramiques en presence d'une source de carbone, poudres ainsi obtenues et leur utilisation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CA2487320A1 CA2487320A1 (fr) 2003-12-11
CA2487320C true CA2487320C (fr) 2014-07-15

Family

ID=34137140

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CA2487320A Expired - Lifetime CA2487320C (fr) 2002-05-30 2003-05-27 Procede de preparation de poudres ceramiques en presence d'une source de carbone, poudres ainsi obtenues et leur utilisation

Country Status (1)

Country Link
CA (1) CA2487320C (fr)

Also Published As

Publication number Publication date
CA2487320A1 (fr) 2003-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3558895A1 (fr) Produits céramiques poreux de sous oxydes de titane
FR2933401A1 (fr) Structure poreuse du type titanate d'alumine
EP0023869B1 (fr) Procédé de préparation de sialons
EP2459498B1 (fr) Grains fondus d'oxydes comprenant al, ti et produits ceramiques comportant de tels grains
EP2303796A2 (fr) Grains fondus d'oxydes comprenant al, ti, mg et zr et produits ceramiques comportant de tels grains
EP3024799B1 (fr) Produit a haute teneur en alumine
CA2034725A1 (fr) Procede d'obtention de corps solides poreux a base de carbure refractaire a l'aide de composes organiques et de metal ou metalloide
US9394205B2 (en) Process for preparing ceramic powders in the presence of a source of carbon, powders thus obtained and their use
WO2002046122A1 (fr) Procede de preparation d'un materiau ceramique de faible epaisseur a gradient de porosite superficielle controle, materiau ceramique obtenu
EP0247907B1 (fr) Poudres pour céramiques en carbures et nitrures métalliques par réduction carbothermique et leur procédé de fabrication
EP3684739B1 (fr) Mousse ceramique
FR2587991A1 (fr) Composition d'oxydes metalliques stabilises et son procede de fabrication
JP5302562B2 (ja) 金属溶解用ルツボ及びその製造方法
EP2310338A2 (fr) GRAINS FONDUS D'OXYDES COMPRENANT AL, TI et MG ET PRODUITS CERAMIQUES COMPORTANT DE TELS GRAINS
Geng et al. The effect of aluminum oxide on the mechanical properties of hot-pressing black titanium dioxide ceramics
CA2487320C (fr) Procede de preparation de poudres ceramiques en presence d'une source de carbone, poudres ainsi obtenues et leur utilisation
EP2374177B1 (fr) Procédé de fabrication d'une électrode cermet au nickel
FR2964669A1 (fr) Poudre de grains de cermet fondu
WO2010043783A1 (fr) Structure tridimensionnelle ouverte à forte résistance mécanique
WO2015055950A1 (fr) Mélange particulaire pour l'obtention d'un produit en zircone yttriee
FR2667590A1 (fr) Corps en ceramique a base de terres rares et procede de fabrication de ceux-ci.

Legal Events

Date Code Title Description
EEER Examination request
MKEX Expiry

Effective date: 20230529