FR3103191A1 - Procede sol-gel de fabrication d’un gel precurseur, d’un xerogel et d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium et leur utilisation pour former des articles - Google Patents
Procede sol-gel de fabrication d’un gel precurseur, d’un xerogel et d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium et leur utilisation pour former des articles Download PDFInfo
- Publication number
- FR3103191A1 FR3103191A1 FR1912787A FR1912787A FR3103191A1 FR 3103191 A1 FR3103191 A1 FR 3103191A1 FR 1912787 A FR1912787 A FR 1912787A FR 1912787 A FR1912787 A FR 1912787A FR 3103191 A1 FR3103191 A1 FR 3103191A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- yttrium
- xerogel
- aluminum garnet
- powder
- extrusion
- 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.)
- Withdrawn
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 title claims abstract description 5
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 title claims description 54
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 53
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims description 52
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 51
- 239000002243 precursor Substances 0.000 title claims description 33
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims abstract description 45
- 229910019901 yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 40
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000011240 wet gel Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 65
- 239000002223 garnet Substances 0.000 claims description 32
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 21
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 21
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 16
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 13
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 10
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 10
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 8
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 6
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 6
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 5
- -1 C12 alkanes Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 4
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 3
- 150000001923 cyclic compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 8
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 7
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 5
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- FGUUSXIOTUKUDN-IBGZPJMESA-N C1(=CC=CC=C1)N1C2=C(NC([C@H](C1)NC=1OC(=NN=1)C1=CC=CC=C1)=O)C=CC=C2 Chemical compound C1(=CC=CC=C1)N1C2=C(NC([C@H](C1)NC=1OC(=NN=1)C1=CC=CC=C1)=O)C=CC=C2 FGUUSXIOTUKUDN-IBGZPJMESA-N 0.000 description 4
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 4
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 4
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 4
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WVDDGKGOMKODPV-UHFFFAOYSA-N Benzyl alcohol Chemical compound OCC1=CC=CC=C1 WVDDGKGOMKODPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 3
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 3
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 3
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 3
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IRIAEXORFWYRCZ-UHFFFAOYSA-N Butylbenzyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC1=CC=CC=C1 IRIAEXORFWYRCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 2
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000004703 alkoxides Chemical class 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N dibutyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCC DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 2
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 2
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 2
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 2
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 2
- 230000035800 maturation Effects 0.000 description 2
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 2
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 2
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 2
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 2
- WOZZOSDBXABUFO-UHFFFAOYSA-N tri(butan-2-yloxy)alumane Chemical compound [Al+3].CCC(C)[O-].CCC(C)[O-].CCC(C)[O-] WOZZOSDBXABUFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BNGXYYYYKUGPPF-UHFFFAOYSA-M (3-methylphenyl)methyl-triphenylphosphanium;chloride Chemical compound [Cl-].CC1=CC=CC(C[P+](C=2C=CC=CC=2)(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC=CC=2)=C1 BNGXYYYYKUGPPF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- OBOSXEWFRARQPU-UHFFFAOYSA-N 2-n,2-n-dimethylpyridine-2,5-diamine Chemical compound CN(C)C1=CC=C(N)C=N1 OBOSXEWFRARQPU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PYGXAGIECVVIOZ-UHFFFAOYSA-N Dibutyl decanedioate Chemical compound CCCCOC(=O)CCCCCCCCC(=O)OCCCC PYGXAGIECVVIOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N Diethylhexyl phthalate Natural products CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002153 Hydroxypropyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 229910052765 Lutetium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013504 M-O-M Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005662 Paraffin oil Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 description 1
- PSNPEOOEWZZFPJ-UHFFFAOYSA-N alumane;yttrium Chemical compound [AlH3].[Y] PSNPEOOEWZZFPJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- BTBJBAZGXNKLQC-UHFFFAOYSA-N ammonium lauryl sulfate Chemical compound [NH4+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O BTBJBAZGXNKLQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920005550 ammonium lignosulfonate Polymers 0.000 description 1
- 229920006187 aquazol Polymers 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019445 benzyl alcohol Nutrition 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019990 cerium-doped yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000975 co-precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001863 hydroxypropyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 235000010977 hydroxypropyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 239000001866 hydroxypropyl methyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920003088 hydroxypropyl methyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000010979 hydroxypropyl methyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- UFVKGYZPFZQRLF-UHFFFAOYSA-N hydroxypropyl methyl cellulose Chemical compound OC1C(O)C(OC)OC(CO)C1OC1C(O)C(O)C(OC2C(C(O)C(OC3C(C(O)C(O)C(CO)O3)O)C(CO)O2)O)C(CO)O1 UFVKGYZPFZQRLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910000000 metal hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004692 metal hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 150000001457 metallic cations Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229920000609 methyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001923 methylcellulose Substances 0.000 description 1
- 235000010981 methylcellulose Nutrition 0.000 description 1
- DJDSLBVSSOQSLW-UHFFFAOYSA-N mono(2-ethylhexyl) phthalate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(O)=O DJDSLBVSSOQSLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- XNGIFLGASWRNHJ-UHFFFAOYSA-L phthalate(2-) Chemical compound [O-]C(=O)C1=CC=CC=C1C([O-])=O XNGIFLGASWRNHJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 description 1
- 229920001451 polypropylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- WUBJXWWQGDPUCE-UHFFFAOYSA-N propan-1-olate yttrium(3+) Chemical compound [Y+3].CCC[O-].CCC[O-].CCC[O-] WUBJXWWQGDPUCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012925 reference material Substances 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 125000001273 sulfonato group Chemical group [O-]S(*)(=O)=O 0.000 description 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- OBROYCQXICMORW-UHFFFAOYSA-N tripropoxyalumane Chemical compound [Al+3].CCC[O-].CCC[O-].CCC[O-] OBROYCQXICMORW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- PCMOZDDGXKIOLL-UHFFFAOYSA-K yttrium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Cl-].[Y+3] PCMOZDDGXKIOLL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F17/00—Compounds of rare earth metals
- C01F17/30—Compounds containing rare earth metals and at least one element other than a rare earth metal, oxygen or hydrogen, e.g. La4S3Br6
- C01F17/32—Compounds containing rare earth metals and at least one element other than a rare earth metal, oxygen or hydrogen, e.g. La4S3Br6 oxide or hydroxide being the only anion, e.g. NaCeO2 or MgxCayEuO
- C01F17/34—Aluminates, e.g. YAlO3 or Y3-xGdxAl5O12
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
- C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
Abstract
L’objet de la présente invention se rapporte à un procédé sol-gel de fabrication d’un gel humide, d’un xérogel et d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium. Un autre objet est une pâte d’extrusion comprenant le gel humide, le xérogel ou la poudre précité(e). L’invention se rapporte en outre à l’utilisation d’un gel humide, d’un xérogel, d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium ou d’une pâte d’extrusion comprenant un gel humide, un xérogel ou une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium pour fabriquer un article, de préférence par extrusion, micro-extrusion ou impression par dépôt de fil ainsi que ledit article.
Description
L’invention appartient au domaine des céramiques, et plus particulièrement du grenat d’yttrium et d’aluminium (YAG) et d’articles fabriqués à partir de ce matériau.
Un objet de la présente invention se rapporte à un procédé sol-gel de fabrication d’un gel humide, d’un xérogel et d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium. Un autre objet est une pâte d’extrusion comprenant le gel humide, le xérogel ou la poudre précité(e). L’invention se rapporte en outre à l’utilisation d’un gel humide, d’un xérogel, d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium ou d’une pâte d’extrusion comprenant un gel humide, un xérogel ou une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium pour fabriquer un article, de préférence par extrusion ou impression par dépôt de fil ainsi que ledit article.
Le grenat d’yttrium et d’aluminium, ou YAG dans son abréviation anglaise de Yttrium Aluminium Garnet, est, à ce jour, la céramique de type «oxyde pur» la plus résistante aux hautes températures et notamment au fluage. Le YAG a des propriétés supérieures à celle des matériaux de référence actuels tels que l’alumine, la zircone ou bien encore la mullite.
Le YAG est un solide cristallin de formule Y3Al5O12. C'est l'un des cinq composés définis du diagramme binaire Al2O3-Y2O3, les autres étant l’yttrine Y2O3, la structure monoclinique d'yttrium et d'aluminium (YAM, Y4Al2O9), la pérovskite d'yttrium et aluminium (YAP, YAlO3) et l’alumine Al2O3. Contrairement à d’autres cristaux de type grenat, le YAG n’existe pas sous forme naturelle et doit donc être synthétisé.
Le YAG est essentiellement utilisé dans la fabrication des lasers dits « lasers YAG », dont il constitue le milieu amplificateur. Il n'est jamais utilisé pur mais toujours dopé avec des ions appropriés par exemple le néodyme et l'erbium, qui permettent de réaliser des lasers solides notés respectivement Nd:YAG et Er:YAG, ou le cérium (noté Ce:YAG) pour produire un matériau phosphorescent.
En dehors de ses propriétés optiques, le YAG possède d’excellentes propriétés mécaniques même en conditions difficiles (température et/ou atmosphère oxydante) et se positionne ainsi en matériau d’avenir pour toute industrie recherchant des propriétés mécaniques élevées, à très hautes températures (jusqu’à environ 1500 °C en fonction de l’application visée) et dans des atmosphères difficiles, notamment oxydantes, telles que par exemple les industries de l’aérospatial, de l’énergie ou du nucléaire (Zhuohao Xiao, et al., Materials Science & Engineering R, https://doi.org/10.1016/j.mser.2019.100518). Il possède également une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation faible, lui octroyant une bonne stabilité dimensionnelle pour des articles subissant des cycles thermiques.
Etant donné ses propriétés exceptionnelles à haute température, le YAG peut par exemple être utilisé dans des pièces de parties chaudes des turbomachines en aéronautique par exemple ou dans des turbines à gaz, dans des éléments destinés à être utilisés dans l’espace ou bien dans des chaudières. Il peut être utilisé sous forme de pièce massive ou sous forme de fibres pour la réalisation de matériaux composites, notamment pour remplacer les fibres en alumine ou en mullite actuellement utilisées.
Il existe des procédés de fabrication de YAG mais ces derniers ne permettent pas de produire facilement de grandes quantités de gel humide de YAG (Gangadharanet al(2004). Spectroscopic and Stimulated Emission Characteristics of Nd3+ in Transparent YAG Ceramics. Quantum Electronics, IEEE Journal of. 40. 747 - 758. 10.1109/JQE.2004.828263). Le YAG cristallisé peut être produit par réaction à l’état solide de poudres d’alumine Al2O3et d’yttrine Y2O3à très haute température (> 1600 °C) pendant une longue durée (plusieurs heures). Cette technique permet la production de grandes quantités de YAG mais il n’est pas possible de contrôler à la fois la microstructure de la poudre, sa stœchiométrie et sa pureté du fait des coefficients de diffusion des éléments très faibles à l’état solide. Des méthodes par chimie douce ont été développées, telles que la co-précipitation, les méthodes solvothermale ou glycothermale et le sol-gel. Ces méthodes permettent un contrôle de la stœchiométrie mais présentent l’inconvénient d’être complexes à mettre en œuvre et d’être limitées à la production de petites quantités.
A ce jour, le YAG reste donc un produit très onéreux et donc difficile d’accès.
Il est du mérite de la demanderesse d’avoir mis au point un nouveau procédé de fabrication du YAG qui pallie les inconvénients observés dans l’état de la technique. Le procédé selon l’invention permet ainsi d’obtenir facilement du YAG, de manière moins énergivores et en grandes quantité.
Le procédé selon l’invention présente en outre l’avantage de permettre l’obtention d’un gel humide qui peut être mis en forme et traité thermiquement par la suite. Il est ainsi possible d’obtenir des articles en 3D directement à partir dudit gel, sans nécessairement passer par les étapes de séchage et de calcination.
L’invention se rapporte ainsi en premier lieu à un procédé sol-gel de fabrication d’un gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium comprenant les étapes:
a) mise en solution d’un précurseur d’aluminium, d’un précurseur d’yttrium, le ratio molaire Y/Al étant compris dans un intervalle allant de 0,5 à 0,7 et éventuellement d’un précurseur de métal dopant, dans au moins un solvant organique et agitation;
b) hydrolyse-condensation de la solution obtenue à l’étape a), comprenant l’introduction d’une solution aqueuse basique, le ratio molaire H2O/Al allant de 3 à 70, de préférence à une température comprise dans un intervalle allant de 20°C à 80°C,
c) extraction du au moins un solvant organique,
et obtention du gel humide.
a) mise en solution d’un précurseur d’aluminium, d’un précurseur d’yttrium, le ratio molaire Y/Al étant compris dans un intervalle allant de 0,5 à 0,7 et éventuellement d’un précurseur de métal dopant, dans au moins un solvant organique et agitation;
b) hydrolyse-condensation de la solution obtenue à l’étape a), comprenant l’introduction d’une solution aqueuse basique, le ratio molaire H2O/Al allant de 3 à 70, de préférence à une température comprise dans un intervalle allant de 20°C à 80°C,
c) extraction du au moins un solvant organique,
et obtention du gel humide.
Dans la présente demande, lorsqu’un intervalle de valeur est indiqué, les bornes sont comprises. Par exemple, dans un «intervalle allant de 0,5 à 0,7», les bornes 0,5 et 0,7 sont comprises.
Dans le cadre de la présente demande, on entend par procédé «sol-gel» correspondant à l’abréviation «solution-gélification», un procédé permettant la production de matériaux vitreux, éventuellement microporeux à macroporeux par polymérisation inorganique sans recourir à la fusion.
On entend par hydrolyse-condensation, une succession de réaction d’hydrolyse et de condensation conduisant dans un premier temps à la formation de molécules M-OH (dans lesquelles M représente un cation métallique) puis à la formation de ponts M-O-M à partir des molécules M-OH et M-L (M-OH + M-L → M-O-M + LH avec L un ligand, qui peut être OH, un anion d’un précurseur ou tout autre élément forméin situentre le solvant et un des éléments introduits à l’étape a)).
On entend par «gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium», le gel obtenu après hydrolyse et condensation du mélange de précurseurs et lavage de ce dernier. Ce gel possède les liaisons M-O-M (dans lesquelles M représente un atome d’aluminium, d’yttrium et/ou de dopant) désorganisées qui pourront, par un traitement thermique adéquat, former un réseau cristallin de type grenat, avec ou sans métal dopant. Ce gel possède en outre de l’eau issue des procédés d’extraction des solvants organiques de synthèse ainsi que des résidus desdits solvants organiques et des résidus des précurseurs d’aluminium, d’yttrium et éventuellement de métal dopant.
On entend par «précurseur d’aluminium», «précurseur d’yttrium» ou «précurseur de métal dopant», un composé chimique qui contient respectivement au moins un atome d’aluminium, d’yttrium ou de métal dopant, et qui est capable de se combiner en trois dimensions avec lui-même ou des précurseurs d’autres métaux afin de former un oxyde d’une taille supérieure à 1 nm, en milieu liquide et avec ou sans l’aide de catalyseurs ou de source d’énergie externe (température par exemple). Il peut s’agir d’un composé inorganique (par exemple nitrate, halogénure ou hydroxyde), ou d’un composé organométallique (acétate ou alcoolate, par exemple butanolate ou propanolate).
Avantageusement, le précurseur d’aluminium peut être un composé organométallique choisi dans le groupe des alcoolates métalliques, de préférence dans le groupe comprenant le propanolate et le butanolate d’aluminium.
Avantageusement, le précurseur d’aluminium peut être un composé inorganique choisi dans le groupe comprenant le nitrate, le chlorure et l’hydroxyde d’aluminium.
Avantageusement, le précurseur d’yttrium peut être un composé organométallique choisi dans le groupe des alcoolates métalliques, de préférence dans le groupe comprenant le propanolate et le butanolate d’yttrium.
Avantageusement, le précurseur d’yttrium peut être un composé inorganique choisi dans le groupe comprenant le nitrate, le chlorure et l’hydroxyde d’yttrium.
Avantageusement, dans l’étape a) du procédé selon l’invention, le ratio molaire yttrium / aluminium (Y/Al) peut être compris dans un intervalle allant 0,5 à 0,7, de préférence 0,6.
Avantageusement, dans l’étape a) du procédé selon l’invention, la concentration molaire en yttrium peut être comprise dans un intervalle allant 0,08 à 0,9 mol/L, de préférence 0,4 à 0,8 mol/L.
Avantageusement, dans l’étape a) du procédé selon l’invention, la concentration molaire en aluminium peut être comprise dans un intervalle allant de 0,14 à 1,5 mol/L, de préférence 0,6 à 1,4 mol/L.
Avantageusement, le métal dopant peut être choisi dans le groupe comprenant Ce, Nd, Eu, Tb, Er, Yb et Lu, de préférenceCe, Nd et Yb.
Avantageusement, le précurseur de métal dopant peut être un oxyde. L’oxyde est de préférence choisi parmi les oxydes de métal dopant solubles dans le solvant organique de l’étape a). L’homme du métier saura adapter la nature du précurseur de métal dopant en fonction de la solubilité de l’oxyde correspondant dans le solvant organique de l’étape a).
Avantageusement, le précurseur de métal dopant peut être un composé inorganique choisi dans le groupe comprenant le nitrate, l’halogénure (de préférence le chlorure) et l’hydroxyde de métal dopant.
Avantageusement, dans l’étape a) du procédé selon l’invention, le ratio molaire yttrium / métal dopant (Y/MD) peut être compris dans un intervalle allant de 40 à 10000, de préférence 100 à 3000.
Avantageusement, dans l’étape a) du procédé selon l’invention, la concentration molaire en métal dopant peut être comprise dans un intervalle allant 0,01 à 10 mmol/L, de préférence 0,1 à 5 mmol/L.
Avantageusement, la mise en solution de l’étape a) peut être un mélange direct par simple dissolution du ou des précurseurs d’aluminium et d’yttrium (et éventuellement du métal dopant) dans un ou plusieurs solvants organiques.
Avantageusement, le ou les solvants organiques sont choisis dans le groupe des alcools (par exemple éthanol, méthanol, propanol ou alcool benzylique), des alcanes en C5 à C12 ou des composés cycliques en C6 à C9, aromatiques ou non aromatiques (par exemple cyclohexane, benzène, toluène) et leurs mélanges. De préférence, le ou les solvants organiques sont choisis parmi les alcools et les mélanges d’alcools.
Avantageusement, la mise solution de l’étape a) est obtenue par mélange d’une solution I comprenant le précurseur d’aluminium et un solvant organique, de préférence l’isopropanol et d’une solution II comprenant le précurseur d’yttrium et un solvant organique, de préférence l’éthanol.
Avantageusement, le précurseur de métal dopant peut être indifféremment dans la solution I, dans la solution II ou bien ajouté après le mélange des solutions I et II.
Avantageusement, l’agitation de l’étape a) peut être mise en œuvre par agitation mécanique ou magnétique. La durée de l’agitation peut aller de 10 minutes à 8 heures, de préférence 1 à 4 heures.
Avantageusement, l’étape a) du procédé selon l’invention peut être mise-en-œuvre à une température comprise dans un intervalle allant de 10 à 60 °C, de préférence à température ambiante, c’est-à-dire de 15 à 25°C, de préférence à 20 °C.
Avantageusement, le pH de la solution aqueuse basique peut avoir une valeur allant de 7,0 à 14, de préférence de 11 à 13.
Avantageusement, dans l’étape b) du procédé selon l’invention, la solution aqueuse basique peut être introduite au goutte-à-goutte, de préférence à une vitesse allant de 2 à 20 ml/min, de préférence 5 à 15 ml/min.
Avantageusement, la solution aqueuse basique peut être choisie dans le groupe comprenant une solution aqueuse d’ammoniac, d’hydroxyde de potassium et d’hydroxyde de sodium, de préférence une solution aqueuse d’ammoniac. La solution aqueuse peut être une solution aqueuse d’ammoniac de concentration 28 %m.
Avantageusement, dans l’étape b) du procédé selon l’invention, l’introduction de la solution aqueuse basique est réalisée de sorte à obtenir un ratio molaire H2O/Al pouvant avoir une valeur allant de 3 à 70, de préférence égal à 7.
Avantageusement, l’étape b) du procédé selon l’invention peut être mise-en-œuvre à une température comprise dans un intervalle allant de 20 à 80°C, de préférence de 60 à 70°C.
Avantageusement, la durée de l’étape b) d’hydrolyse-condensation du procédé selon l’invention est comprise dans un intervalle allant de 1 à 48 heures, de préférence de 10 à 20 heures et de manière encore préférée 15 heures.
Avantageusement, l’étape b) d’hydrolyse-condensation du procédé selon l’invention comprend deux sous-étapes: la première sous-étape est l’introduction de la solution aqueuse basique, la seconde sous-étape est appelée maturation. Lors de l’étape b), des réactions d’hydrolyse (réaction de l’eau avec les précurseurs métalliques pour former des molécules M-OH dans lesquelles M représente un cation métallique) et de condensation se produisent. Les réactions de condensation permettent de former des ponts M-O-M à partir des molécules M-OH et M-L (M-OH + M-L → M-O-M + LH avec L un ligand, qui peut être OH, un anion d’un précurseur ou tout autre élément forméin situentre le solvant et un des éléments introduits à l’étape a)). La formation progressive des ponts M-O-M permet l’obtention de colloïdes de quelques nanomètres ou plus.
Avantageusement, la première et/ou la seconde sous-étape(s) de l’étape b) peuvent comprendre une agitation mécanique ou magnétique.
Avantageusement, l’étape c) d’extraction du procédé selon l’invention peut être, un lavage, une centrifugation et/ou une filtration. Il peut s’agir de préférence d’un lavage (solution aqueuse) suivi d’une centrifugation (par exemple à 10000 tr/min pendant 5 minutes).
Avantageusement, l’étape c) d’extraction du procédé selon l’invention peut être mise-en-œuvre à une température ambiante (c’est-à-dire généralement de 15 à 25°C, de préférence à 20°C).
Avantageusement, lorsque l’étape c) d’extraction du procédé selon l’invention comprend une centrifugation, celle-ci peut avoir une durée allant de 5 à 10 minutes, à 10000 tr/min.
Avantageusement, lorsque l’étape c) d’extraction du procédé selon l’invention comprend au moins un lavage, ledit lavage est réalisé avec de l’eau. De préférence, l’étape c) comprend une succession d’au moins deux lavages.
Avantageusement, l’étape c) du procédé peut comprendre au moins une alternance de centrifugation(s) et de lavage(s).
Avantageusement, lorsque l’étape c) du procédé selon l’invention comprend une filtration, ladite filtration est réalisée sous vide avec un volume d’eau égal à moins 3 fois le volume du ou des solvants organiques.
Avantageusement, le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une étape d) de fabrication d’un xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium, ladite étape d) comprenant un séchage du gel humide, de préférence sous pression réduite.
On entend par «xérogel» ou «gel sec», un gel obtenu après le séchage de l’étape d) c’est-à-dire une poudre contenant les éléments yttrium, aluminium et métal dopant aux proportions choisies à l’étape a) ainsi que des résidus de solvant(s) organique(s) ou de précurseur(s) liés dans la structure du gel. Le xérogel ne possède pas de structure cristalline.
Avantageusement, l’étape d) du procédé selon l’invention peut être un séchage à une pression réduite, de préférence à 100 mbar.
Avantageusement, le séchage de l’étape d) du procédé selon l’invention peut être réalisé à une température supérieure à 80°C, de préférence à 120°C.
Avantageusement, l’étape d) du procédé selon l’invention peut avoir une durée allant de 10 à 20 heures, de préférence 15 heures.
Avantageusement, le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une étape e) de fabrication d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium, ladite étape e) comprenant une calcination du xérogel à une température comprise dans un intervalle de 600 à 1600 °C, de préférence 800 à 1200 °C et de préférence à 1000 °C.
Avantageusement, la poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium obtenue à l’étape e) du procédé selon l’invention peut être une poudre dite «précalcinée» ou «calcinée». De préférence, on obtient une poudre dite «précalcinée» lorsque la température de l’étape e) de calcination est inférieur ou égale à 900°C, de préférence de 600°C à 900°C. De préférence, on obtient une poudre dite «calcinée» lorsque la température de l’étape e) de calcination est strictement supérieure à 900°C, de préférence de 1000°C à 1600°C.
On entend par «poudre calcinée», une poudre grenat d’yttrium et d’aluminium entièrement cristallisée.
On entend par «poudre précalcinée», une poudre grenat d’yttrium et d’aluminium dont la cristallisation n’est pas complète.
Avantageusement, la durée de l’étape e) de calcination ou précalcination du procédé selon l’invention peut être de 10 minutes à 15 heures, de préférence de 2 à 8 heures.
Avantageusement, l’étape e) de calcination ou précalcination du procédé selon l’invention peut être mise en œuvre dans un four tubulaire ou rotatif, sous air.
Selon l’invention, l’étape e) du procédé permet avantageusement de cristalliser le gel obtenu après l’étape d) de séchage, lorsque la calcination est complète.
L’invention se rapporte également à un gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium obtenu selon le procédé selon l’invention (étapes a) à c) du procédé).
L’invention se rapporte aussi à un xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium obtenu selon le procédé selon l’invention (étapes a) à d) du procédé).
L’invention se rapporte encore à une poudre, précalcinée ou calcinée, de grenat d’yttrium et d’aluminium obtenue selon le procédé selon l’invention (étapes a) à e) du procédé).
Avantageusement, le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une étape f) de fabrication d’une pâte d’extrusion, ladite étape f) comprenant le mélange d’un gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention ou d’un xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention ou bien d’une poudre, précalcinée ou calcinée, de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention, avec un solvant, de préférence de l’eau et éventuellement un ou plusieurs additifs. .
Avantageusement, l’étape f) du procédé selon l’invention peut comprendre une homogénéisation par agitation mécanique, de préférence au moyen de rouleaux agitateurs, de préférence pendant une durée comprise dans un intervalle allant de 1 à 20 heures, de préférence 15h.
Selon un autre aspect, l’invention se rapporte à une pâte d’extrusion obtenue selon le procédé selon l’invention (étape a), b), c), optionnellement d), optionnellement e), et f) du procédé). La pâte d’extrusion selon l’invention peut ainsi comprendre le gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention, le xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention ou bien la poudre, précalcinée ou calcinée, de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention.
L’invention se rapporte aussi à une pâte d’extrusion comprenant un gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention, un xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention ou une poudre, précalcinée ou calcinée, de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention, d’un solvant, de préférence de l’eau et éventuellement un ou plusieurs additifs.
Avantageusement, la pâte d’extrusion selon l’invention peut comprendre un solvant, de préférence de l’eau, de préférence déionisé, et éventuellement un solvant organique. Le solvant organique peut être un résidu du ou des solvants organiques de l’étape a) du procédé selon l’invention.
Avantageusement, la pâte d’extrusion selon l’invention peut comprendre de 30 à 90 % en volume de gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention.
Avantageusement, la pâte d’extrusion selon l’invention peut comprendre de 25 à 70 % en volume de xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention.
Avantageusement, la pâte d’extrusion selon l’invention peut comprendre de 20 à 55 % en volume de poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention.
Avantageusement, la pâte d’extrusion selon l’invention peut comprendre en outre au moins un additif.
Avantageusement, l’additif peut être choisi dans le groupe comprenant les liants, les plastifiants, les dispersants et leurs mélanges. L’homme du métier saura choisir le type, le nombre et la quantité d’additifs en fonction de la pâte d’extrusion qu’il désire obtenir.
Avantageusement, le liant peut être choisi dans le groupe comprenant un alcool polyvinylique, un polyéthylène glycol, un polybutyral vinylique, un polyvinylpyrrolidone, un polyéthyloxazoline, un composé cellulosique (par exemple méthylcellulose, hydroxypropylcellulose ou hydroxypropylméthylcellulose) et leurs mélanges. La pâte selon l’invention peut comprendre un ou plusieurs liants. De préférence, le ou les liants peuvent être choisis parmi les liants dont les masses molaires sont comprises dans un intervalle allant de 5 à 500 kg/mol, de préférence de 10 à 50 kg/mol.
Avantageusement, le plastifiant peut être choisi dans le groupe comprenant un glycol (de préférence glycérol, polyéthylène glycol ou polypropylène glycol), un phtalate (de préférence bis 2-ethylhexyle phtalate, dibutyle phtalate ou benzylbutyle phtatale), un dibutyle sébacate, un polyvinylpyrrolidone, un alcool polyvinylique et leurs mélanges. La pâte selon l’invention peut comprendre un ou plusieurs plastifiants. De préférence, le ou les plastifiants lorsqu’ils sont choisis parmi les plastifiants polymères, ont des masses molaires comprises dans un intervalle allant de 100 à 5000 g/mol.
Avantageusement, le dispersant peut être choisi dans le groupe comprenant les polyacrylates (par exemple polyméthacrylate d’ammonium), les sulfates (par exemple laurylsulfate d’ammonium), les sulfonates (par exemple lignosulfonate d’ammonium), les phosphates (par exemple diester de phosphate).
L’invention se rapporte également à une utilisation d’un gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention pour fabriquer un article, de préférence par extrusion, micro-extrusion ou impression par dépôt de fil.
L’invention se rapporte aussi à une utilisation d’un xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention pour fabriquer un article, de préférence par extrusion ou impression par dépôt de fil.
L’invention se rapporte encore à une utilisation d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium selon l’invention pour fabriquer un article, de préférence par extrusion ou impression par dépôt de fil.
L’invention se rapporte en outre à l’utilisation d’une pâte d’extrusion selon l’invention pour fabriquer un article, de préférence par extrusion ou impression par dépôt de fil.
L’invention comprend aussi un procédé de fabrication d’un article en YAG comprenant les étapes:
i) extrusion d’une pâte d’extrusion selon l’invention selon la forme prédéfinie de l’article;
ii) traitement thermique de la pâte extrudée obtenue en i), et
obtention de l’article.
i) extrusion d’une pâte d’extrusion selon l’invention selon la forme prédéfinie de l’article;
ii) traitement thermique de la pâte extrudée obtenue en i), et
obtention de l’article.
Avantageusement, l’extrusion de l’étape i) du procédé de fabrication d’un article en YAG selon l’invention peut être réalisée sur une machine dont l’extrusion proprement dite est réalisée à l’aide d’air comprimé, d’un piston ou d’une vis sans fin. Le substrat d’impression peut être régulé en température, par exemple de la température ambiante à 50 °C. Le diamètre de la buse d’extrusion peut être de 0,1 à 8mm, de préférence 0,5 à 5mm.
On entend par «extrusion», un procédé de fabrication (thermo)mécanique par lequel un matériau compressé est contraint de traverser une buse (ou filière). En fonction du diamètre de la buse on peut parler d’extrusion ou de micro-extrusion (buse micrométrique).
On entend par «forme prédéfinie» de l’article, la forme de l’article final qui tient compte d’un rapport homothétique isotrope correspondant aux retraits dus au séchage et à la consolidation de la pièce extrudée.
Le traitement thermique de l’étape ii) induisant généralement un retrait de la pâte d’extrusion (par exemple retrait de séchage et/ou retrait de frittage), la forme prédéfinie de l’article peut intégrer ce paramètre et prévoir que le matériau se rétracte lors de la mise en œuvre de l’étape ii).
Avantageusement, le traitement thermique de l’étape ii) du procédé de fabrication d’un article en YAG selon l’invention peut être réalisé dans un four électrique, sous air, sous vide ou sous oxygène, de préférence sous air. Avantageusement, un premier palier de température comprise dans un intervalle de 300 à 600 °C d’une durée de 10 min à 5 heures est atteint à une vitesse de 0,5 à 10 °C/min. Avantageusement, un second palier de température comprise dans un intervalle de 1200 à 1800 °C, de préférence 1400 à 1600 °C, d’une durée de 10 min à 10 heures, de préférence 30 min à 2 heures, est atteint à une vitesse de 1 à 20 °C/min. Avantageusement, le refroidissement est laissé libre par l’inertie thermique du four utilisé.
Avantageusement, le traitement thermique de l’étape ii) du procédé de fabrication d’un article en YAG selon l’invention peut comprendre l’étape e) du procédé selon l’invention, notamment lorsque celle-ci n’a pas été mise en œuvre avant extrusion, c’est-à-dire lorsque la pâte d’extrusion ne comprend pas de poudre de YAG selon l’invention et ce, sans inclure de palier de température additionnel et spécifique.
Selon un autre aspect, l’invention vise également un article en YAG obtenu selon le procédé de l’invention.
Avantageusement, l’article peut par exemple être un filtre, une aube ou un tube.
L’invention présente ainsi les avantages de fournir un procédé de fabrication de YAG:
- plus facile à mettre en œuvre et plus sûr, qui ne demande pas de reflux, pas d’atmosphère spécifique (par exemple argon ou azote) pas de solvant toxique ou dangereux (comme le toluène), qui nécessite un lavage minimal, et donc de fournir un procédé plus simple à mettre en œuvre que dans l’état de la technique,
- plus rapide, qui permet l’utilisation d’un gel humide ou d’un xérogel directement à l’étape de mise en forme de l’article final et la réalisation du traitement thermique de calcination pendant le traitement thermique de consolidation (après extrusion) sans modifier ce dernier,
- modulable, l’étape de calcination pouvant, selon la spécificité de l’article ou de la pièce à fabriquer être réalisée avant ou après extrusion,
- plus versatile, notamment dans la diversité des pièces qu’il est possible de fabriquer, grâce à la possibilité d’utiliser un métal dopant ou non et de contrôler les propriétés microstructurales de la pièce par la modification des paramètres de fabrication du gel humide, du xérogel ou de la poudre précalcinée ou calcinée,
- moins énergivore, notamment par la possible diminution des traitements thermiques appliqués jusqu’à l’obtention de l’article final.
- plus facile à mettre en œuvre et plus sûr, qui ne demande pas de reflux, pas d’atmosphère spécifique (par exemple argon ou azote) pas de solvant toxique ou dangereux (comme le toluène), qui nécessite un lavage minimal, et donc de fournir un procédé plus simple à mettre en œuvre que dans l’état de la technique,
- plus rapide, qui permet l’utilisation d’un gel humide ou d’un xérogel directement à l’étape de mise en forme de l’article final et la réalisation du traitement thermique de calcination pendant le traitement thermique de consolidation (après extrusion) sans modifier ce dernier,
- modulable, l’étape de calcination pouvant, selon la spécificité de l’article ou de la pièce à fabriquer être réalisée avant ou après extrusion,
- plus versatile, notamment dans la diversité des pièces qu’il est possible de fabriquer, grâce à la possibilité d’utiliser un métal dopant ou non et de contrôler les propriétés microstructurales de la pièce par la modification des paramètres de fabrication du gel humide, du xérogel ou de la poudre précalcinée ou calcinée,
- moins énergivore, notamment par la possible diminution des traitements thermiques appliqués jusqu’à l’obtention de l’article final.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de l’exemple, non limitatif, qui suit.
Exemple 1
:
Dans cet exemple, les matériaux suivants sont utilisés: éthanol anhydre, liquide, 94-96% (Alfa Aesar, réf. 33361), CAS 64-17-5 ; isopropanol, liquide, 99,9% (Fisher Scientific, réf. BP2618500), CAS 67-63-0 ; chlorure d’yttrium anhydre, poudre, 99,99% (Sigma-Aldrich, réf. 451363), CAS 10361-92-9 ; tri-sec butanolate d’aluminium, liquide, 97% (Sigma-Aldrich, réf. 201073), CAS 2269-22-9 ; ammoniac, liquide, 28% NH3 (Alfa Aesar, réf. L13168), CAS 1336-21-6 ; polyéthylène gycol (PEG), liquide, 300 g/mol (Sigma-Aldrich, réf. 20237-1), CAS 25322-68-3 ; alcool polyvinylique (PVA), flocons, 25 000 g/mol (Alfa Aesar, réf. V/0200/53), CAS 9002-89-5.
Le précurseur d’aluminium (respectivement d’yttrium) est dissous dans l’isopropanol (respectivement l’éthanol) à une concentration de 1,0 mol/L (respectivement 0,6 mol/L). Le volume de chaque solvant est de 180 mL. Les deux solutions sont homogénéisées sous agitation pendant 10 minutes puis mélangées ensemble, sous agitation pendant 2 heures.
La température de la solution des précurseurs d’aluminium et d’yttrium est montée à 60 °C à l’aide d’un bain marie d’huile de paraffine. La solution d’ammoniaque est ajoutée au goutte-à-goutte à une vitesse d’environ 6 mL/min. La quantité de solution d’ammoniaque introduite correspond à un ratio molaire H2O/Al de 7. Après la fin du goutte-à-goutte, la solution mature pendant 15 heures à 60 °C sous agitation.
La solution est centrifugée à 11000 tr/min pendant 6 minutes. Le gel récupéré est lavé dans un volume d’eau égal à la moitié du volume initial de la solution. Après 10 minutes d’homogénéisation sous agitation et à température ambiante, la solution est de nouveau centrifugée à 11000 tr/min pendant 6 min, de nouveau lavée dans un volume d’eau égal à la moitié du volume initial de la solution, de nouveau homogénéisée sous agitation et à température ambiante. La solution est ensuite une dernière fois centrifugée à 11000 tr/min pendant 6 min afin de récupérer le gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium.
Le gel humide est séché dans une étuve sous air, à une pression de 100 mbar, à une température de 120 °C, pendant 15 heures. Le xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium résultant est récupéré puis désaggloméré au mortier et pilon.
Une pâte d’extrusion à base de xérogel est formulée. L’alcool polyvinylique est préalablement dissous dans l’eau à une teneur de 33 % massique pendant 30 minutes à 60 °C. La formulation de la pâte est la suivante: 67,0 % massique de xérogel, 4,6 % massique de PEG, 4,6 % massique de PVA et 23,8 % massique d’eau. Dans un premier temps, le PEG puis la solution de PVA sont introduits dans l’eau sous agitation. La solution est homogénéisée sous agitation pendant 4 heures à température ambiante. La poudre est ensuite introduite lentement sur une durée d’une heure dans la solution de polymère précédente, sous agitation. Après introduction totale, la pâte de xérogel est homogénéisée sur des rouleaux-agitateurs pendant 15 heures.
La pâte de xérogel est extrudée selon la forme prédéfinie de l’article choisi à l’aide d’une extrudeuse possédant une buse de 2 mm de diamètre.
L’article cru est traité thermiquement sous air dans un four selon le cycle thermique suivant: 1 °C/min jusqu’à 500 °C, palier d’une heure, rampe 5 °C/min jusqu’à 1600 °C, palier 2 heures, refroidissement naturel.
Claims (14)
- Procédé sol-gel de fabrication d’un gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium comprenant les étapes:
a) Mise en solution d’un précurseur d’aluminium, d’un précurseur d’yttrium, le ratio molaire Y/Al étant compris dans un intervalle allant de 0,5 à 0,7, et éventuellement d’un précurseur de métal dopant, dans au moins un solvant organique et agitation;
b) hydrolyse-condensation de la solution obtenue à l’étape a), comprenant l’introduction d’une solution aqueuse basique, le ratio molaire H2O/Al allant de 3 à 70,
c) extraction du au moins un solvant organique,
et obtention du gel humide. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel le solvant organique est choisi dans le groupe comprenant les alcools, les alcanes en C5 à C12 et les composés cycliques en C6 à C9, aromatiques ou non aromatiques, et leurs mélanges.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la mise solution de l’étape a) est obtenue par mélange d’une solution I comprenant le précurseur d’aluminium et un solvant organique et d’une solution II comprenant le précurseur d’yttrium et un solvant organique.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) est mise-en-œuvre à une température comprise dans un intervalle allant de 10 à 60 °C.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la solution aqueuse basique de l’étape b) est choisie dans le groupe comprenant une solution aqueuse d’ammoniac, d’hydroxyde de potassium et d’hydroxyde de sodium.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à l’étape b), la solution aqueuse basique est introduite au goutte-à-goutte.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée de l’étape b) d’hydrolyse-condensation est comprise dans un intervalle allant de 1 à 48 heures.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape d) de fabrication d’un xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium, ladite étape d) comprenant un séchage du gel humide.
- Procédé selon la revendication précédente, comprenant en outre une étape e) de fabrication d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium, ladite étape e) comprenant une calcination du xérogel à une température comprise dans un intervalle allant de 600 à 1600 °C, de préférence pendant une durée allant de 10 minutes à 15 heures.
- Gel humide de grenat d’yttrium et d’aluminium obtenu selon le procédé selon l’une quelconques des revendications 1 à 7.
- Xérogel de grenat d’yttrium et d’aluminium obtenu selon le procédé selon la revendication 8.
- Poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium obtenue selon le procédé selon la revendication 9.
- Pâte d’extrusion comprenant de 30 à 90 % en volume de gel humide selon la revendication 10, de 25 à 70 % en volume de xérogel selon la revendication 11 ou de 20 à 55 % en volume de poudre selon la revendication 12, un solvant et éventuellement au moins un additif.
- Utilisation d’un gel humide selon la revendication 10, d’un xérogel selon la revendication 11, d’une poudre selon la revendication 12 ou d’une pâte d’extrusion selon la revendication 13 pour fabriquer un article, de préférence par extrusion, micro-extrusion ou impression par dépôt de fil.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1912787A FR3103191A1 (fr) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | Procede sol-gel de fabrication d’un gel precurseur, d’un xerogel et d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium et leur utilisation pour former des articles |
| EP20861977.5A EP4058408A1 (fr) | 2019-11-15 | 2020-11-10 | Procede sol-gel de fabrication d'un gel precurseur, d'un xerogel et d'une poudre de grenat d'yttrium et d'aluminium et leur utilisation pour former des articles |
| PCT/FR2020/052055 WO2021094684A1 (fr) | 2019-11-15 | 2020-11-10 | Procede sol-gel de fabrication d'un gel precurseur, d'un xerogel et d'une poudre de grenat d'yttrium et d'aluminium et leur utilisation pour former des articles |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1912787A FR3103191A1 (fr) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | Procede sol-gel de fabrication d’un gel precurseur, d’un xerogel et d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium et leur utilisation pour former des articles |
| FR1912787 | 2019-11-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3103191A1 true FR3103191A1 (fr) | 2021-05-21 |
Family
ID=70456824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1912787A Withdrawn FR3103191A1 (fr) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | Procede sol-gel de fabrication d’un gel precurseur, d’un xerogel et d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium et leur utilisation pour former des articles |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4058408A1 (fr) |
| FR (1) | FR3103191A1 (fr) |
| WO (1) | WO2021094684A1 (fr) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1241552A (zh) * | 1999-07-23 | 2000-01-19 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种无团聚钇铝石榴石纳米粉体的制备方法 |
| EP1277850A2 (fr) * | 2001-07-19 | 2003-01-22 | Ngk Insulators, Ltd. | Film pulvérisé constitué d'un oxyde complexe d'yttria et d'oxyde d'aluminium et procédé de fabrication |
| CN100422288C (zh) * | 2006-04-14 | 2008-10-01 | 厦门大学 | 钇铝石榴石制备方法 |
| CN102367383B (zh) * | 2011-10-29 | 2013-06-05 | 南昌大学 | 一种白光led用钇铝石榴石型黄色荧光粉的制备方法 |
| CN106518044B (zh) * | 2016-11-28 | 2019-07-16 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | Ysag基纳米粉体及其制备方法 |
-
2019
- 2019-11-15 FR FR1912787A patent/FR3103191A1/fr not_active Withdrawn
-
2020
- 2020-11-10 WO PCT/FR2020/052055 patent/WO2021094684A1/fr not_active Ceased
- 2020-11-10 EP EP20861977.5A patent/EP4058408A1/fr active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1241552A (zh) * | 1999-07-23 | 2000-01-19 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种无团聚钇铝石榴石纳米粉体的制备方法 |
| EP1277850A2 (fr) * | 2001-07-19 | 2003-01-22 | Ngk Insulators, Ltd. | Film pulvérisé constitué d'un oxyde complexe d'yttria et d'oxyde d'aluminium et procédé de fabrication |
| CN100422288C (zh) * | 2006-04-14 | 2008-10-01 | 厦门大学 | 钇铝石榴石制备方法 |
| CN102367383B (zh) * | 2011-10-29 | 2013-06-05 | 南昌大学 | 一种白光led用钇铝石榴石型黄色荧光粉的制备方法 |
| CN106518044B (zh) * | 2016-11-28 | 2019-07-16 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | Ysag基纳米粉体及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| GANGADHARAN ET AL.: "Spectroscopic and Stimulated Emission Characteristics of Nd3+ in Transparent YAG Ceramics. Quantum Electronics", IEEE JOURNAL OF, vol. 40, 2004, pages 747 - 758 |
| ZHUOHAO XIAO ET AL., MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R, Retrieved from the Internet <URL:https://doi.org/10.1016/j.mser.2019.100518> |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021094684A1 (fr) | 2021-05-20 |
| EP4058408A1 (fr) | 2022-09-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114149260B (zh) | 一种低热导率高熵陶瓷热障涂层材料 | |
| US20240254055A1 (en) | Preparation method of oxide high-entropy ceramic fiber | |
| TW200811078A (en) | YAG-based ceramic garnet material comprising at least one multi-site element | |
| CN107522495A (zh) | 一种使用流延法制备氮化铝电子陶瓷基板的方法和流延法制备陶瓷用溶剂 | |
| JP7487971B2 (ja) | 正方晶相チタン酸バリウムナノ粒子の製造方法 | |
| EP2700122B1 (fr) | Procédé de préparation d'une demi-cellule électrochimique | |
| CN108359458A (zh) | 一种多孔稀土掺杂Li4ZrF8上转换纳米晶及其制备方法 | |
| JP6238286B2 (ja) | ジルコニア連続繊維とその製造方法 | |
| FR3103191A1 (fr) | Procede sol-gel de fabrication d’un gel precurseur, d’un xerogel et d’une poudre de grenat d’yttrium et d’aluminium et leur utilisation pour former des articles | |
| CN101269956A (zh) | 掺杂钕的钇铝石榴石透明陶瓷制造方法 | |
| CN108083808A (zh) | 一种纳米碳化铪陶瓷有机前驱体及其制备方法 | |
| CN103613381B (zh) | 一种n型钆掺杂钛酸锶氧化物热电陶瓷的制备方法 | |
| JP2015006970A (ja) | 酸化マグネシウム、その製造方法、及びそれを添加剤として含む積層型セラミックキャパシタ | |
| TW200835821A (en) | Barium titanate single crystal and the preparation method thereof | |
| CN106379933A (zh) | 一种钛酸锂粉体的制备方法 | |
| FR2677352A1 (fr) | Ceramiques transparentes et procede de fabrication de celles-ci. | |
| FR2703349A1 (fr) | Poudre d'oxyde de zinc dopé, procédé de fabrication et céramique obtenue à partir de ladite poudre. | |
| JP2004224623A (ja) | 酸化物セラミックスナノシートおよびその製造方法 | |
| EP2406200A1 (fr) | Produit de cermet fondu | |
| Cheng et al. | Formation of niobates from aqueous peroxide solution | |
| CN101774632A (zh) | 一种纺锤状结构氧化锌的制备方法 | |
| CN105693249B (zh) | 一种钕锶掺杂氟化钙激光陶瓷及其制备方法 | |
| JP4617093B2 (ja) | 窒化物および酸窒化物セラミックスナノシートの製造方法 | |
| JP2015171959A (ja) | ジルコニア連続繊維と酸化物系セラミックスからなる複合材料とその製造方法 | |
| CN118206373B (zh) | 一种致密陶瓷薄膜的低温熔体反应制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20210521 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20240706 |