Projet ANR-12-JS08-0002 – CrystOG : Processus de cristallisation dans les verres d’oxydes : application aux vitrocéramiques transparentes
Programme : JCJC - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Mathieu ALLIX (Centre de Recherche sur les Matériaux à Haute Température / Centre National de la Recherche Scientifique )
Partenaires : Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation
Montant : 198640.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : céramiques polycristallines par cristallisation du verreProcessus de cristallisation dans les verres d’oxydes :application aux vitrocéramiques transparentes
Céramiques transparentes à propriétés optiquesL'objectif est d'étudier les processus de nucléation/croissance dans les verres d'oxydes afin de maîtriser la cristallisation. Le but ultime est la synthèse de nouvelles (vitro)céramiques transparentes à propriétés optiques.ces matériaux sont des candidats au remplacement des monocristaux coûteux et peu flexible (mise en forme, composition, dopage...).
synthèse et caractérisation de nouvelles (vitro)céramiques tansparentes1) synthèse du verre parent- fusion/trempe classique- par chauffage laser et lévitation aérodynamique2) cristallisation3) caractérisations structurales4) caractérisations optiques
Résumé de la soumission : Ce projet de recherche fondamentale a pour objectif de déterminer les processus élémentaires et les différentes étapes de cristallisation dans des verres d’oxydes avec une application aux vitrocéramiques transparentes. Déposé une première fois en 2009, le projet a depuis été refocalisé sur les propriétés structurales, notre domaine d’expertise, comme recommandé par les experts. Une composante cinétique et mécanisme a également été intégrée. Les commentaires encourageants du comité ANR nous ont conduits à soumettre cette version révisée intégrant les dernières remarques.Les vitrocéramiques transparentes sont constituées de nanocristaux (taille nanométrique requise pour assurer la transparence) au sein d’une matrice vitreuse. En combinant les avantages des procédés verriers (élaboration et formage) avec les propriétés des matériaux cristallisés, elles sont appelées à remplacer une large gamme de monocristaux très coûteux utilisés aujourd’hui dans les technologies optiques de pointe.Cependant, le processus de cristallisation n’est pas toujours bien compris et a fortiori bien contrôlé. Il est donc indispensable d’étudier et de comprendre les différentes étapes de la cristallisation du verre afin d’éviter en particulier les problèmes d’opacification. Ce projet propose donc de suivre la cristallisation depuis les prémices de la nucléation dans le verre (structure locale à l’échelle atomique) jusqu’à la croissance des cristaux dans les vitrocéramiques.Le CEMHTI, parfaitement équipé pour l’étude des verres et des matériaux oxydes cristallisés, est le lieu idéal pour développer ce projet. Tout d’abord, la synthèse des verres sera facilitée par l’utilisation de notre outil spécifique : le chauffage laser associé à la lévitation aérodynamique. Haute température, absence d’impuretés et trempe rapide nous permettront d’élaborer des verres modèles simples. Ensuite, grâce au large éventail de techniques disponible au laboratoire, nous pourrons caractériser les structures de nos matériaux de manière multi-échelle et in situ. A l’échelle du microcristal, la caractérisation de la cristallisation sera assurée in situ par MEB et DRX. La microscopie électronique en transmission nous permettra d’accéder aux étapes nanométriques : l’apparition et l’organisation des nanocristaux ainsi que leurs caractéristiques structurales. Ces études par MET seront également possibles in situ grâce à l’acquisition d’un nouveau porte échantillon chauffant. Enfin, la spectroscopie RMN nous fournira des informations sur les toutes premières étapes de la cristallisation dans le verre. Un point fort du projet réside dans la possibilité d’utiliser tous ces équipements en mode in situ, seul moyen de garantir l’étude des structures réelles à haute température et de suivre sur un même échantillon toutes les étapes du processus de cristallisation. Ce projet original constitue la base d’un nouvel axe de recherche au laboratoire : l’étude de la cristallisation pour l’obtention de vitrocéramiques transparentes. Des travaux préliminaires visant à démontrer la faisabilité du projet ont été réalisés, notamment sur des vitrocéramiques transparentes provenant des systèmes Y2O3-Al2O3, BaO-Al2O3 et SrO-Al2O3. L’objectif de valorisation de notre étude structurale est la synthèse de nouvelles vitrocéramiques transparentes à propriétés optiques. Cet objectif est tout à fait réalisable comme en témoigne notre travail récent sur l’élaboration de nouvelles vitrocéramiques d’aluminate de baryum et de strontium hautement transparentes et luminescentes, actée par le dépôt d’un brevet (numéro de dépôt 1161025).L’accès aux équipements performants et parfaitement complémentaires de notre laboratoire, l’appui sur deux compétences externes (propriétés optiques et cinétique-mécanisme) et des résultats préliminaires très prometteurs sont autant d’atouts qui nous permettront de mener à bien ce projet.
Résultats : Voir Production scientifique
Perspectives : synthèse de nouvelles vitrocéramiques et céramiques transparentes à propriétés optiques
Publications et brevets : Publications:
1 - M.Allix, S.Alahrache, F.Fayon, M.Suchomel, F.Porcher, T.Cardinal, G.Matzen, Highly Transparent BaAl4O7 Polycrystalline Ceramic Obtained by Full Crystallization from Glass, Advanced Mater., 24 5570-5575 (2012) 
2 - S.Chenu, E.Véron, G.Matzen, T.Cardinal, D.Massiot, M.Allix, Nanostructured transparent glasses and glassceramics for tuneable visible and infrared luminescence, Advanced Optical Materials, accepted
3 - S.Alahraché, K.Al Saghir, S.Chenu, E.Véron, D.De Sousa Meneses, A.I.Becerro, M.Ocaña, F.Moretti, G.Patton, C.Dujardin, F.Cussó, J-P.Guin, M.Nivard, J-C.Sangleboeuf, G.Matzen, M.Allix, Perfectly transparent Sr3Al2O6 polycristalline ceramic elaborated from glass crystallization, Chem. Mater., 25 4017-4024 (2013)
Brevets
1 - S. Alahrache, M. Allix, G. Matzen, F. Millot, M. Licheron, T. Cardinal, A. Garcia, French patent application (deposited application number 1161025 - December 2011). 
2 - Chenu, S.; Allix, M.; Veron, E.; Matzen, G.; Cardinal, T. Verres et vitrocéramiques nanostructurés transparents dans le visible et l'infrarouge. 28 février 2013 (N° dépôt 1351795).