Brevet FR2035006A1 — publié le 19701218

L'invention concerne une matière céramique transparente à base de thorine, et un procédé pour la production d'une telle matière. Des matières céramiques sont largement utilisées dans des 5 applications à haute température mais, à peu d'exceptions près, ces matières sont complètement opaques et sont inutilisables lorsqu'on désire une transmission de lumière. Il existe de nombreux cas dans lesquels une céramique capable de transmettre de la lumière serait d'un grand intérêt, par exemple pour constituer 10 des fenêtres utilisables dans un équipement fonctionnant à de hautes températures. Elle est utilisable en outre pour réaliser des enveloppes de lampes fonctionnant à de hautes températures, et même une matière pour lentilles d'équipements optiques conçus pour fonctionner à des températures élevées. Dans le passé, la 15 transparence optique pour des céramiques a été généralement obtenue par mise au point et utilisation de masses monocristallines , mais cette façon de résoudre le problème exige habituellement beaucoup de temps, est comparativement coûteuse et est physiquement limitée, notamment en raison de restriction de diœen-20 sions. Le fait d'obtenir une transparence dans des masses céramiques polycristallines permettrait de résoudre la plupart des problèmes que pose l'utilisation de céramiques monocristallines, mais de nombreux facteurs doivent être pris en considération et de nombreuses difficultés doivent être surmontées avant d'obte-25 nir un degré de transmission de lumière tant soit peu considérable dans une masse polycristalline. Par exemple, des conditions telles que la présence de particules de matière d'une dimension suffisante peuvent provoquer une diffusion de lumière dans la masse, le résultat étant une médiocre transmission. D'une maniè-30 re similaire, des pores emprisonnés dans la masse au cours du frittage jusqu'à la densité finale diffusent la lumière à peu près comme des particules. Tous les problèmes énumérés ci-dessus et d'autres encore doivent être résolus convenablement avant de .pouvoir obtenir des masses céramiques de haute densité et transparen-35 tes. Un but essentiel de 1 ' invention est de réaliser une masse céramique polycristalline de haute densité ayant un pouvoir de transmission suffisant pour permettre une transmission pratiquement recti-ligne d'énergie rayonnante au travers de son épaisseur. 40 Un autre but de l'invention est de réaliser une masse de céramique à base de thorine à laquelle sont ajoutées des proportions d'oxyde d'yttrium telles que ladite masse soit pratique- 7009347 2035006 ment transparente® Encore un autre but de l'invention est de réaliser un procédé pour la production des masses céramiques transparentes selon l'invention. 5 D'autres buts, particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement au cours du complément de description qui suit . Généralement,les masses céramiques polycristallines faisant l'objet de l'invention sont à base de thorine (ThO^) et con-10 tiennent des additions d'oxyde d'yttrium (Y2°3^ en ProPorti°n comprise entre 0,5 et 5,0 % (en moles)® Ces masses sont essentiellement de la densité théorique, sont polycristallines et possèdent la forme cristallographique cubique ; elles sont essentiellement transparentes dans un large intervalle de longueurs d'onde 15 de rayonnement du spectre visible. Ces masses contiennent en moles d'environ 0,5 à 3,0 % d'oxyde d'yttrium comme intervalle préféré, de proportions, et la composition optimum correspond à environ 1,0 % en moles. Le procédé pour la production de ces masses consiste 'essentiellement à préparer les ingrédients de base 20 selon les proportions adéquates, à presser les oxydes pulvérulents pour former des masses crues, puis à cuire ou fritter ces masses crues pendant un laps de temps-d'une durée suffisante pour en réaliser la densification. On doit veiller soigneusement, au cours de l'opération de frittage qui est normalement effectuée 25 dans une atmosphère d'hydrogène ayant un point de rosée d'environ 0°C, à ce que les conditions opératoires soient telles qu'elles assurent l'absence de toute réduction des oxydes ou que, si une telle réduction plus ou moins partielle intervient, il soit donné aux oxydes réduits la possibilité d'être réoxydés. Toute 30 défaillance en matière de conduite de cette importante opération de cuisson a pour résultat final l'obtention de masses céramiques possédant des caractéristiques optiques considérablement inférieures. La matière de base de la composition en question est, ain-35 si qu'on l'a indiqué ci-dessus, l'oxyde de thorium ou thorine ThOg, et il convient qu'elle soit aussi pure que possible étant donné que la présence d'impuretés quelconques peut aboutir à des défauts dans l'article manufacturé final, défauts qui en altéreraient les caractéristiques de transmission de la lumière. 40 A titre d'exemple pratique, bien entendu non limitatif,une 70093^7 3 2035006 certaine quantité de thorine en particules à grain fin mesurant entre environ 0,05 et 2,0 microns est soigneusement mélangée avec une quantité telle d'oxyde d*yttrium en particules mesurant environ 0,05 micron que l'on obtienne un mélange contenant en 5 moles environ 1,0 % de Y2°3* 0n Presse la quantité voulue de ce mélange dans une matrice d'une manière connue sous environ 700 kg/cm pour donner une masse crue dont le degré de compacité est tel que la densité apparente est d'environ 40 à 50 % de la densité théorique. Cette masse crue est ensuite frittée, jusqu' 10 à ce qu'elle possède pratiquement la densité théorique, à 2300°C dans une atmosphère d'hydrogène et de vapeur d'eau ayant un point de rosée de 0°C ; l'opération de frittage a une durée d'environ sept heures. On prépare un échantillon ayant une épaisseur d'environ un millimètre ; on observe qu'il possède un haut 15 degré de transparence ou de transmission rectiligne de la lumière dans le spectre visible, ce qui indique qu'il possède bien une densité voisine de la densité théorique. On prépare d'autres masses,en opérant de la manière décrite ci-dessus, contenant en moles jusqu'à environ 50 % d'oxyde 20 d'yttrium, mais on n'observe aucune amélioration notable de la transparence ; au contraire, lorsque la teneur en oxyde d'yttrium excède environ 5,0 % en moles, le degré de transparence s*en trouve défavorablement affecté. De tout ce qui précède, il ressort donc bien que les mas-25 ses céramiques à base de thorine contenant de l'oxyde d'yttrium selon l'invention présentent un pouvoir de transmission amélioré par comparaison avec une masse de thorine non-modifié, mais à ceci près sensiblement identique. Il va de soi pour le spécialiste que l'on peut apporter de 30 nombreuses variantes et modifications aux exemples spécifiques décrits ci-dessus. C'est ainsi que l'on peut utiliser n'importe quelle thorine pratiquement pure en particules mesurant entre 0,05 et 2,0 microns, et de préférence entre 0,01 et 1,0 micron. Il convient que les dimensions des particules d'oxyde d'yttrium 35 .soient inférieures à environ 2,0 microns et soient de préférence comprises entre environ 0,01 et 1,0 micron. Il convient que la pression utilisée au cours de l'opération de pressage soit au 2 minimum de 350 kg/cm j si on le désire, on peut bien entendu réaliser une opération de compression isostatique. Il convient 40 que la température de frittage soit au minimum de 2000°C étant 7009347 4 2035006 donné que des températures notablement plus basses obligent à prolonger excessivement la durée de l'opération de frittage pour atteindre la densité théorique. Le point de rosée de l'atmosphère d'hydrogène peut être compris entre environ -25°C et +25°C 5 Comme on l'a indiqué ci-dessus, la teneur en oxyde d'yttrium peut varier entre environ 0,5 et 5,0 moles pour cent. 7009347 5 2035006 REVENDICATIONS 1. Article manufacturé constitué par une masse à base de thorine polycristalline de haute densité comprenant essentiellement de la thorine et contenant une proportion faible mais effi- 5 cace d'oxyde d1yttrium, cette masse ayant un haut pouvoir de transmission rectiligne par millimètre d'épaisseur. 2. Article manufacturé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde d'yttrium y est présent en une proportion molaire comprise entre environ 0,5 et 5,0 %. 10 3. Article manufacturé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde d'yttrium y est présent en une proportion molaire comprise entre environ 0,5 et 3,0 %. 4. Article manufacturé -selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde d'yttrium y est présent en une proportion mo- 15 laire égale à environ 1,0 %. 5. Procédé pour la production de masses polycristallines de haute densité à base de thorine ayant des propriétés améliorées de transmission de la lumière, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement : à préparer un mélange pulvérulent de 20 thorine pratiquement pure en particules mesurant entre environ 0,01 et 2,0 microns et d'oxyde d'yttrium pratiquement pur en particules mesurant entre environ 0,01 et 2,0 microns, la proportion molaire d'oxyde d'yttrium étant comprise entre environ 0,5 et 5,0 % ; à former à partir de ce mélange une masse crue 25 compacte ; et à cuire la susdite masse crue'à une température qui ne soit pas inférieure à environ 2000°C pendant un laps de temps d'une durée suffisante pour réaliser une densification pratiquement complète dans une atmosphère d'hydrogène et de vapeur d'eau ayant un point de rosée compris entre environ -25°C 30 et +25 °C. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on forme la masse crue compacte en pressant ledit mélange 2 sous une pression d'au moins 350 kg/cm . 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que 1' 35 on utilise, pour effectuer la cuisson, une atmosphère d'hydrogène et de vapeur d'eau ayant un point de rosée d'environ 0°C.