Lors d’une journée organisée par le GFC fin janvier 2015, 71 personnes sont venues assister aux conférences dédiées à l’utilisation et à la mise en forme des céramiques transparentes. Petit bilan des principales interventions.

55 ans de recherches

La première conférence “Grand angle sur le domaine des céramiques transparentes”, a été donnée par le professeur Adrian Goldstein (ICSI, Haifa, Israël), qui a rappelé que les premières céramiques transparentes (alumine polycristalline transparente) avaient été présentées en 1959. Il a précisé leurs usages : pour des ampoules, du blindage transparent, des lasers, voire des panneaux photovoltaïques,… Il a ensuite présenté différentes céramiques transparentes, dont une nouvelle matière : T-ZnAl2O4, et une céramique incluant du Fe, qui est à la fois transparente et magnétique.
Le thème « Besoin de la Défense en céramiques transparentes », a été traité par François Barthélémy (DGA). Il a indiqué que les applications en défense sont les lasers, les missiles (IR), la protection balistique transparente (fenêtres d’engins mobiles). Dans le domaine terrestre, le besoin de protection des personnes induit un blindage transparent assurant la protection contre les projectiles de petit calibre et les éclats. Dans le domaine aérien (hélicoptère), il est nécessaire d’envisager, en plus, des distances de tirs jusqu’à 1000 m et divers angles d’attaque (y compris par-dessus ou par-dessous). Parmi les compositions de céramiques transparentes, les saphirs et les spinelles présentent de bonnes propriétés balistiques.

La préparation de céramiques transparentes
Le “Design des matières premières poudres au regard des propriétés recherchées pour la transparence”, a été proposé par Aurélien Vivet et une équipe de l’entreprise Baikowsky. Par la flexibilité de leurs conditions de synthèse, les poudres Baikowski peuvent être mises en œuvre dans différents procédés d’élaboration de céramiques transparentes (SPS, pressage, coulage, frittage HIP) et se caractérisent principalement par une très bonne aptitude au frittage, une grande pureté chimique et phasique.
La conférence suivante, par Mythili Prakasam et le laboratoire ICMCB de Bordeaux, a représenté un point sur leurs recherches en cours au sujet des « Céramiques transparentes de systèmes cristallins cubiques ou non cubiques par SPS. »
Adam J. Stevenson de l’université de Pennsylvanie (États-Unis) a rappelé le « Rôle des auxiliaires de frittage sur les défauts, la densification et la cristallisation de céramiques transparentes YAG:Nd ». Le principal dopant étudié est le SiO2, qui améliore la taille des grains.
La conférence « Spinelle MgAl2O4 transparente obtenue par SPS » a été présentée par Guillaume Bonnefont et les équipes du laboratoire Mateis. L’objectif était la production d’une spinelle nanostructurée et frittée par SPS, dans de grandes dimensions pour l’industrie : diamètre 40 mm et épaisseur 7 mm.
D’autres techniques ont été évoquées : “Vitrocéramiques infrarouges obtenues par mécanosynthèse et frittage flash”, par Laurent Calvez et les équipes de l’université de Rennes, les « Nouvelles céramiques transparentes élaborées par cristallisation complète du verre », par Mathieu Allix et le laboratoire Cemhti, et enfin « Élaboration de YAG transparent par frittage SPS », par Rosa Moronta Perez et les équipes du BCRS et des universités de Mons et Namur.

Les applications lasers
Le thème : “Céramiques transparentes de YAG:Nd pour les applications lasers : performances actuelles et perspectives d’amélioration”, a été présenté par Rémy Boulesteix, du CEC-SPCTS de Limoges. Il a indiqué que les céramiques transparentes sont utilisées comme milieux amplificateurs de lasers de puissance et que la qualité de la microstructure influence les propriétés optiques. Il est nécessaire de contrôler chacune des étapes du procédé d’élaboration pour l’obtention de céramiques transparentes. Le frittage naturel sous vide forme une porosité intragranulaire, quel que soit le taux de silice. Un post-frittage par HIP favorise la densification, avec un grossissement granulaire très limité et sans formation de porosité intragranulaire, ce qui est potentiellement très prometteur.
La présentation “Élaboration de céramiques à haute transparence pour les applications sous fortes contraintes thermomécaniques”, a été réalisée par Johan Petit, du laboratoire aérospatial Onera.
Le domaine aérospatial s’intéresse aux céramiques pour des applications en fenêtres blindées, fenêtres aérospatiales, IRdomes de missiles, lasers et optiques. En effet, elles présentent une bonne transparence dans le visible et dans l’infrarouge, une forte résistance mécanique (ténacité, dureté) pour résister au sable, à la grêle, aux oiseaux et aux balles, une forte résistance en température (pour des missiles supersoniques), et une bonne résistance chimique, par exemple à la pluvioérosion.
Le procédé choisi part d’une suspension dans l’eau avec une densité Dr proche de 20 %, pour obtenir un cru par filtration nanoporeuse à Dr de 45 à 50 %, avant le séchage, le frittage naturel à 1500°C, un frittage à haute pression à 2000 bar et 1500°C (Dr > 99,5 %) et éventuellement un recuit sous air ou oxygène à 1200°C. Grâce à un séchage optimisé, il a été possible d’obtenir des céramiques de spinelle de diamètre 75 mm et d’une épaisseur d’un centimètre. D’autres matériaux ont également été testés : Y2O3 et Al2O3.