Synthesis of Yb-doped Sc2O3 nanocrystalline powders

International audienceWe report the preparation of nanocrystalline Yb:Sc2O3 powders with an ultimate intent to make transparent Yb:Sc2O3 ceramics for laser applications. Precursors were synthesized by a coprecipitation method from a mixed solution of scandium and ytterbium nitrates using aqueous ammonium hydrogen carbonate as precipitant. The effects of the precipitation process on the powders' characteristics were studied. The phase evolution, the structure and the morphological characteristics of the different precipitates and calcined precursors were studied by means of TG/DTA, XRD and SEM methods. Carbonate precursors were transformed into pure Yb:Sc2O3 phase after a thermal treatment ≥700°C for 2 hours. The particles of the as-prepared nanocrystalline Yb:Sc2O3 powders are spherical and narrow size distributed. Their average diameter is lower than 50nm

Processing of functional fine scale ceramic structures by ink-jet printing

International audienceThis review illustrates the potentiality of ink-jet printing for the fabrication of functional fine scale ceramic structures corresponding to two different kinds of micro-pillar arrays i.e. (i) PZT skeletons, etc..

Ceramic shaping by destabilisation of aqueous oxide suspensions. Application with concentrated or diluted suspensions

International audienc

Etudes de nouvelles céramiques pour barrière thermique

Ce travail se place dans le cadre de la recherche de céramiques susceptibles de fonctionner à plus hautes température que la zircone yttriée, le système le plus employé actuellement pour constituer la couche isolante des barrières thermiques de turbines, aéronautiques ou terrestres. Une analyse des critères auxquels doit répondre une telle céramique a conduit à choisir la famille des perovskites, et, en conclusion de calculs de conductivité thermique par dynamique moléculaire, à sélectionner BaMg1/3Ta2/3O3 (BMT), un composé dont le point de fusion est supérieur à 2900C. Un mode d élaboration par voie solide a été développé pour obtenir cet oxyde sous forme dense. En guise de référence, des matériaux denses de zircones yttriées complètement stabilisées ont également été élaborés. Ces deux oxydes ont ensuite été caractérisées expérimentalement : structure par diffraction de rayons X, conductivité thermique jusqu à 1200C à partir de la mesure de la diffusivité thermiques par méthode flash laser, coefficient de dilatation entre 200 et 1200C. Une étu de du gravage thermique de joints de grains, avec suivi par microscopie à force atomique du profil de joints après traitements entre 1100C et 1400C, a permis dans certains cas de déterminer le coefficient de diffusion en surface. Il ressort de cette étude que, si la perovskite BMT possède un ensemble de propriétés intéressantes pour constituer une barrière thermique : stabilité structurale, conductivité thermique à 1200C du même ordre que celle de la zircone yttriée (autour de 2 W.m-1.K-1), coefficient de dilatation élevé (11.10-5 /K entre 200 et 1200C), des phénomènes de sublima tion sont susceptibles de perturber la stabilité de couches à très hautes températures.LIMOGES-ENSCI (870852305) / SudocPARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Elaboration de céramiques transparentes de Yb:Sc2O3 pour applications laser

Depuis plusieurs années, l un des principaux axes de recherche dans le domaine des matériaux pour applications laser concerne les céramiques transparentes. Elles se présentent en effet comme une alternative intéressante aux monocristaux généralement employés, qui sont coûteux et souvent difficiles à élaborer. Pour que son utilisation puisse être envisagée dans le domaine de l optique, une céramique se doit d être parfaitement dense et exempte de défauts. La pureté et l homogénéité chimique des poudres de départ, ainsi que les conditions de mise en forme et de frittage, apparaissent alors comme des paramètres clés dans leur procédé d élaboration. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés à l élaboration de céramiques transparentes de Yb:Sc2O3. Les poudres de départ ont été préparées par décomposition thermique de précurseurs synthétisés par coprécipitation. Différentes conditions de synthèse (mode de précipitation, température, ratio molaire entre réactifs, température de calcination) ont été essayées. Leur influence sur les caractéristiques des précipités et des poudres calcinées, a été étudiée. L optimisation des paramètres a conduit à la préparation de poudres de Yb:Sc2O3 réactives, pures et homogènes. Ces poudres ont ensuite été mises en forme par pressage à sec, avant d être frittées sous vide. L influence des conditions de frittage (température, durée de palier, ajout de type SiO2, teneur en dopant Yb3+) sur la densité, la microstructure et l homogénéité chimique des matériaux élaborés, a été observée. Des céramiques translucides de Yb:Sc2O3, ne présentant ni porosité apparente ni phase secondaire, ont été obtenues suite à un frittage sous vide à 1750C.Transparent polycrystalline ceramics turn out to be very promising materials for laser applications. Indeed, they present several advantages in comparison to single crystals, such as easier fabrication of large size and complex shape pieces. To get high performance laser transparent ceramics, fully dense and defects-free materials must be elaborated. The high quality of the starting powders, as well as the shaping and the sintering conditions of the materials, appear consequently as key points of the process. In this work, we have investigated the elaboration of Yb-doped Sc2O3 transparent ceramics. The starting powders were prepared by thermal decomposition of carbonate precursors synthesized by coprecipitation. Various synthesis conditions (precipitation technique, synthesis temperature, molar ratio of the reactants, calcination temperature) were tested. Their influence on the characteristics of the precipitates and of the calcined powders was investigated. The optimisation of the synthesis conditions have lead to the preparation of reactive, pure and homogeneous Yb:Sc2O3 powders. These powders were shaped into compacts by uniaxial or cold isostatic pressing, before being sintered under vacuum. The influence of the sintering conditions (temperature, dwell time, addition of SiO2 as a sintering aid, Yb3+ content) on the density, the microstructure and the chemical homogeneity of the materials, was studied. Some Yb-doped Sc2O3 translucent ceramics, with no apparent porosity and no secondary phase, have been obtained after vacuum sintering at 1750C.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF

Dispersions d'alumine en milieu aqueux (préparation de suspensions concentrées et mise en forme d'objets par coagulation)

De nouveaux procédés d'élaboration de pièces céramiques de formes complexe, doivent être développés pour s'affranchir des limitations des procédés habituels.Dans ce contexte,le projet qui a conduit ce travail de thèse vise à produire des pièces céramiques directement à la forme et aux cotes finales.Le procédé proposé consiste à couler dans un moule non poreux une suspension très concentrée en poudre et parfaitement fluide,et à consolider la pièce à l'intérieur du moule par coagulation de la suspension,ces deux étapes s'appuyant sur la théorie D.L.V.O au sujet de la stabilité des particules.La stabilisation électrostatique de l'alumine a dans l'eau par ajout d'acide ou de base est influencée par la nature chimique des ions présents dans le milieu.Les contre-ions les plus destructurants vis àvis du solvant tel que CIO4 ou les tétraalkylammonium,conduisent aux dispersions les moins visqueuses.Du fait des effets de dissolution de l'alumine en milieu acide ou basique, la mise en suspension au moyen d'un dispersant anionique est préférée.Le sel de sodium de l'acide 4,5-dihydroxy-1,3-benzènz dizulfonique (1,2(OH)2C6H2 4.5(SO3Na)2.H2O), commercialement appelé Tiron se révèle très efficace en faible concentration (1,3.106 mol.m2) pour stabiliser l'alumine à pH=9 et préparer des suspensions d'une concentration égale à 60% en volume.En utilisant des molécules dérivées du Tiron,le rôle de chaque substituant ainsi que le mécanisme de dispersiondu Tiron ont été identfier en confrontant des mesures d'adsorption et les propriétés électrocinétiques des suspensions.L'étape de coagulation repose sur la réaction de décomposition thermique, de l'acétate d'aluminium (Al(OH)(CH3COO)2) introduit dans la suspension avant le coulage.Des études sur la cinétique de la réaction et sur les propriétés rhéologiques des suspension permettent de déterminer les conditions optimales d'utilisation de cet additif.Par ailleurs, il est montré que la production d'ions trivalents Al3+ dans le milieu induit la désorption du dispersant et augmente considérablement la force ionique, favorisant ainsi la déstabilisation de la suspension.Enfin, la fabrication de pièces de forme complexe confirme les atouts et la potentialité de ce procédé.LIMOGES-ENSCI (870852305) / SudocSudocFranceF

Mechanisms of Binder Removal Involved in Supercritical Debinding of Injection Moulded Ceramics

Extraction of organic additives from extrusion-moulded ceramic parts by supercritical carbon dioxide has proved to be an efficient method for debinding [1, 2]. A model of binder extraction based on diffusion equations was developed. This model was found to be in fair agreement with experimental results. Experimental kinetics of extraction of low melt point paraffins, by supercritical fluids, from injection-moulded samples are now established. A redistribution of the binder in the liquid state in the porosity of the sample, during supercritical debinding, is put in evidence. The importance of this mechanism and its influence on the validity of the model are discussed.Des études précédentes [1, 2] ont montré l'intérêt de l'extraction, à l'aide de gaz carbonique dans l'état supercritique, des additifs organiques de mise en forme de pièces céramiques. Elles ont permis de développer un modèle, établi à partir des équations de diffusion, qui est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Les cinétiques expérimentales d'extraction, par fluide supercritique, de paraffines à bas point de fusion utilisées comme liant pour des compositions d'injection sont maintenant étudiées. Une redistribution du liant à l'état liquide au sein de la porosité de l'échantillon pendant le déliantage supercritique est mise en évidence. L'importance de ce mécanisme et son influence sur la validité du modèle sont discutées

Light scattering by pores in transparent Nd:YAG ceramics for lasers: correlations between microstructure and optical properties

International audienceNd:YAG ceramics for laser applications were elaborated with various residual porosities by reaction-sintering process. The porosity analysis with CLSM and SEM led to the determination of the pore volume fraction after sintering. This study revealed that the mean pore size of Nd:YAG ceramics was around 0.7 μm while the residual porosity was ranging between 10 −1% and 10 −4%. These pore contents affect the transparency and laser efficiency of ceramics. The analytical model based on the Mie light scattering fairly fits the experimental data. This demonstrates that the porosity in Nd:YAG ceramics should be lower than 10 −4% to reach single-crystal laser efficiency