Brevet FR2515169A1 — publié le 19830429

MEMOIRE DESCRIPTIF La présente invention a pour objet un dispositif en céramique comportant un ou plusieurs conduits pouvant être étanches à haute température, pour le passage de gaz ou de liquides, et un procédé de fabrication dudit dispositif. Le terme céramique utilisé ici inclu tous les oxydes réfractaires, utilisés séparément ou sous forme de mélanges, de même que les borures, les nitrures et les carbures, en particulier SiC, et les cermets qui sont des céramiques métallisées. On sait que plus on monte en température et plus il est difficile de réaliser un dispositif avec circulation de fluide à cause de problèmes d'étanchéité et de matériaux. Au-dessus de 1400 degrés Kelvin (K) les céramiques s'imposent, mais les techniques de fabrication ne permettent pas la même souplesse que dans le cas de métaux et la réalisation d'un conduit pour la circulation de gaz pose des problèmes d'étanchéité d'autant plus difficiles à résoudre qu'il n existe pas de joints d'étanchéité totalement satisfaisants à ce niveau de température. La présente invention concerne d'une part un dispositif en céramique comportant un ou plusieurs conduits pour le passage de gaz ou de liquides et pouvant assurer une bonne étanchéité même à haute température et d'autre part un procédé de fabrication dudit dispositif. Il est évident que le niveau de température que ledit dispositif peut atteindre sans altération dépend de la compatibilité entre le fluide qui circule et la céramique et que -l'on peut choisir à souhait le matériau adapté au fluide. La présente invention consiste à faire en sorte que le ou les conduits de fluide soient inclus dans la masse de la céramique, ce qui permet d'éviter l'emploi de joints d'étanchéité. Le procédé de fabrication permet la réalisation du dispositif meme si celui-ci possède une géométrie complexe. Ledit procédé de fabrication consiste à préparer des éléments devant par embottement les uns dans les autres former un assemblage comportant le ou les conduits désirés. Lesdits éléments sont caractérisés par le fait qu'ils sont constitués de poudre compacte présentant une cohésion suffisante pour permettre la manipulation, l'usinage et l'assemblage. Les éléments peuvent être obtenus par n'importe laquelle des techniques connues, en particulier par pressage isostatique, par moulage ou par extrusion (pour plus d'information voir: "Treatrise on materials Science and Technology", vol. 9, "Ceramic fabrication processes" Ed. by FRANKLIN F.Y.WANG, Academic press, 1978), ces opérations pouvant être suivies d'un usinage pour atteindre les dimensions nécessaires à l'assemblage ou pour réaliser l'emplacement du conduit. Ledit assemblage comportant le ou les conduits désirés est caractérisé par le fait qu'après avoir été formé il subit un frittage qui assure la prise en masse de l'ensemble et crée ainsi une liaison parfaite entre les différents éléments, ce qui garantit une étanchéité du conduit de fluide aussi bonne que l'étanchéité des parois du dispositif. Ladite prise en masse, ayant lieu au cours du frittage, peut être favorisée par l'addition de barbotine sur (ou au niveau de) certaines zones de contact entre les éléments, suivie d'un séchage et du frittage. Ladite barbotine est constituée de poudre, de même composition que les éléments, dispersée dans un liquide qui peut être de l'eau. La présente invention est décrite ci-dessous, à titre d'exemple illustratif mais nullement limitatif, en regard de la géométrie des pièces décrites et de leur utilisation. Considérons les figures 1 et 2 qui représentent schématiquement deux façons de réaliser un conduit pour le passage d'un fluide dans les parois latérales d'un creuset en céramique. Un tel dispositif peut permettre de faire circuler un fluide à plus de 1400 K sans problème d'étanchéité et constitue, par exemple, un échangeur thermique parfaitement adapté au chauffage d'un fluide à haute température par concentration de rayonnement solaire Par exemple, un tel dispositif en carbure de silicium recristallisé permet des températures d'utilisation de 1700 K tout en offrant une bonne résistance à la pression et une conductibilité thermique élevée. Le dispositif représenté sur les figures 1 et 2 est composé d'un creuset en céramique 2 dans la paroi latérale 3 duquel est creusé un conduit 4, en forme de galerie pouvant être très longue en raison de circonvolutions, et faisant partie intégrale dudit creuset 2 et comportant une entrée 5 et une sortie 6 pour le fluide. L'entrée 5 et la sortie 6 peuvent être constituées par des tubes en céramique prolongeant le creuset 2. Le conduit 4 peut aussi être constitué par une chambre annulaire creusée dans la paroi latérale 3 et on peut dans tous les cas ajouter un conduit dans la base 8 du creuset 2.Le transfert thermique par conduction est moins bon dans le cas où une chambre annulaire remplace la galerie 4 car l'effet d'ailette est supprimé, mais on peut pallier à cet inconvénient en remplissant ladite chambre annulaire de particules solides conductrices de la chaleur au travers desquelles le fluide peut circuler. Dans certains cas la disposition avec chambre latérale peut permettre un meilleur transfert de chaleur car une partie du rayonnement solaire 7 peut traverser la paroi interne du creuset et venir chauffer, directement ou par l'intermédiaire de la paroi opposée, le fluide qui circule. Par exemple une céramique à base d'oxydes de magnésium ou d'yttrium de 4 millimètres d'épaisseur peut transmettre une bonne partie du rayonnement solaire à travers sa paroi. L'ouverture 1 du creuset 2 permet de laisser pénétrer le rayonnement solaire 7 provenant d'un système concentrateur. Le rayonnement est alors absorbé dans sua quasi totalité en raison des multiples réflexions qu'il subit sur les parois internes du creuset 2 qui se comporte comme un piège à rayonnement (corps noir). Des détails supplémentaires peuvent être observés sur la figure 3, décrite ci-dessous, dans la partie consacrée au procédé de fabrication, mais les figures 1 et 2 suffisent pour comprendre le dispositif selon l'invention. Le procédé de fabrication du dispositif selon l'invention est décrit à présent, à titre illustratif mais nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel la figure 3 représente en coupe partielle un mode de réalisation dudit dispositif. Le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes: Dans une première étape, les éléments 1, 7, 3 et 11 devant par emboîtement les uns dans les autres former l'assemblage représenté sur la figure 3 sont fabriqués en faisant appel à des techniques bien connues dans l'industrie céramique. Le creuset interne 1 peut, par exemple, être réalisé directement à la forme voulue par une méthode de moulage (slip casting). La pièce crûe ainsi obtenue peut en général être manipulée sans problème, ce qui permet un éventuel usinage et ajustage et le perçage des trous 6 pouvant être régulièrement espacés sur la circonférence extérieure de la base 12 du creuset 1. Si la pièce crûe est trop fragile, on peut la "bisquiter", c'està-dire lui faire subir un traitement thermique modéré pour la rendre plus résistante sans toutefois provoquer le frittage. Par exemple une pièce en alumine bêta sans -liant devrait être "bisquitée" à 1300 - 1400 K durant 3 heures. On peut aussi obtenir par moulage ou pressage isostatique un creuset lisse crû et l'on peut alors y graver sur la face latérale externe la forme voulue pour réaliser le conduit ou la chambre latérale 5. De la même manière, le creuset externe 7 peut être obtenu directement par moulage ou en réalisant d'abord un creuset lisse et en usinant ensuite la paroi latérale interne sur une certaine profondeur sans toutefois atteindre le fond pour ménager ainsi, d'une part un support annulaire 8 sur lequel reposera le creuset 1 et d'autre part une chambre 9 pour le passage du fluide. Dans les deux cas, des couvertures 10 et 4 sont percées pour réaliser l'entrée et la sortie du conduit. Les tubes 3 et 11 pour introduire et extraire le fluide peuvent être réalisés par extrusion, moulage ou pressage isostatique. Dans une deuxième étape, les éléments 1, 7, 3 et 11 sont assemblés, ce qui donne un embottement bien ajusté. De la barbotine peut être ajoutée à certains endroits 2 pour permettre de parfaire la cohésion des éléments. Lorsque l'assemblage est bien sec, il est prêt pour la dernière étape qui consiste à porter ledit assemblage à une température suffisante pour réaliser le frittage. Par exemple, pour l'alumine bêta, une température de 1900 K durant 4 heures permet d'atteindre une densité satisfaisante. Durant le frittage, un retrait pouvant atteindre 15% se produit, ce qui favorise la liaison entre les différents éléments de l'assemblage. En effet, on peut faire en sorte que l'élément extérieur 7 présente un retrait plus important que les éléments 1, 3 et 11, ce qui provoque une pression favorable au frittage, aux points de contact entre l'élément 7 et les éléments 1, 3 et 11. Ceci peut être réalisé par un préfrittage contrôlé des éléments 1, 3 et 11 avant l'assemblage. Finalement, après le frittage les éléments comme tels ont disparu, on n'a plus qu'un dispositif en céramique frittée constitué par un creuset unique dans les parois duquel est creusé un conduit débouchant vers l'extérieur par l'intermédiaire de 2 tubes prolongeant ledit creuset. Un tel dispositif peut être étanche jusqu'à des températures de paroi du creuset élevées. L'étanchéité du conduit étant la même que celle de la céramique et dépendant donc de la température et des propriétés respectives de la céramique et du fluide. Le di-spositif objet de l'invention n'est pas limité à un système de quelque géométrie que ce soit et on peut, sans sortir du cadre de l'invention, réaliser plusieurs conduits et plusieurs entrées et sorties dans une même pièce ou regrouper plusieurs pièces ainsi conçues en un ensemble plus complexe ou modifier la forme de tout ou partie du dispositif. Pour une application du dispositif au foyer d'un concentrateur solaire parabolique, il faudrait par exemple adopter une forme sphérique ou pseudo sphérique pour le creuset interne 1 du dispositif représenté à la figure 3 afin de permettre une répartition plus favorable du rayonnement dans la cavité et de limiter les risques de choc thermique. Il faudrait aussi optimiser l'ouverture du creuset de façon à limiter les pertes d'énergie. Ceci pouvant être réalisé en resserant la ladite ouverture, En choisissant convenablement les matériaux constituant la céramique, on peut faire en sorte que ledit creuset soit opaque (céramique à base de carbure par exemple) ou que certaines parois transmettent en partie le rayonnement solaire (céramique en oxyde de magnésium ou de silicium par exemple). On peut aussi rendre les surfaces internes du creuset sélectives c'est à dire ayant un facteur d'absorption solaire élevé et un facteur d'émission infra-rouge faible. Le fait de- réaliser un conduit dont l'étanchéité soit aussi bonne que celle de la céramique elle-meme peut permettre d'obtenir un conduit totalement étanche (par exemple avec un dispositif en alumine dense, on peut faire circuler de l'air jusqu'a 1700K environ sans risque de fuite). On peut aussi obtenir un conduit qui sera étanche à tous les gaz sauf à l'hydrogène atomique ou moléculaire en raison de caractéristiques dimensionnelles de ce gaz. On peut également réaliser un conduit dans une céramique à base d'oxyde qui sera étanche à tous les gaz sauf à l'oxygène, en raison des propriétés de migration ionique de l'oxygène dans les oxydes. On peut aussi recouvrir certaines surfaces du dispositif d'un matériau semi-conducteur ou d'un métal. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans tous- les cas où une circulation de fluide doit être assurée jusqu'à des températures très élevées, qu'il s'agisse de chauffer un fluide ou de maintenir un dispositif en deçà d'une certaine température. La possibilité de permettre le chauffage d'un fluide à température très élevée peut être exploitée pour la réalisation de chaudières à gaz solaires ou nucléaires pour machines thermiques à rendement élevé et pour la réalisation de réacteurs chimiques à haute température. Le dispositif peut être utilisé à l'échelle du laboratoire ou à l'échelle industrielle. REVENDICATIONS 1/ Dispositif en céramique comportant un ou plusieurs conduits pouvant être étanches à haute température, ledit dispositif étant caractérisé par- le fait qu'il comprend le ou lesdits conduits avec leurs entrées et sorties correspondantes, dans sa masse 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le ou lesdits conduits sont complètement étanches jusqu'à une température élevée. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le ou lesdits conduits sont partiellement étanches à haute température. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le ou lesdits conduits sont perméables à ;'hydrogène atomique et moléculaire et imperméables à toute autre molécule de gaz. 5/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le ou lesdits conduits ne sont pas étanches à l'oxygène. 6/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le ou lesdits conduits présentent certaines parois étanches à tous les fluides sauf l'hydrogène et certaines autres parois étanches à tous les fluides sauf l'oxygène. 7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites entrées et sorties desdits conduits sont constituées par des tubes prolongeant ledit dispositif. 8/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdits tubes sont en céramique de même composition que ledit dispositif et peuvent être prolongés par des tubes de toute autre composition à partir d'une distance du dispositif suffisante pour qu'une jonction étanche puisse être assurée. 9/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit dispositif est un creuset et que le ou lesdits conduits se si tuent dans les parois latérale et du fond. 10/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le diamètre intérieur dudit creuset se resserre vers l'ouverture de celui-ci. 11/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ledit creuset est en partie ou en totalité cylindrique. 12/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ledit creuset est en partie sphérique. 13/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ledit creuset est opaque. 14/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ledit creuset possède une ou plusieurs parois pouvant transmettre en partie le rayonnement solaire. 15/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que certaines surfaces ont un facteur d'absorption solaire élevé et un facteur d'émission infra-rouge faible. 16/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que certaines surfaces du dispositif sont recouvertes d'un métal. 17/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que certaines surfaces du dispositif sont recouvertes d'un matériau semi-conducteur. 18/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le ou lesdits conduits sont remplis de particules solides. 19/ Procédé de fabrication d'un dispositif en céramique comportant un ou plusieurs conduits pouvant être étanches à haute température, ledit procédé de fabrication comprennant les étapes suivantes: - Fabrication d'éléments non totalement frittés - Assemblage desdits éléments - Frittage dudit assemblage 20/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que lesdits éléments sont en totalité ou en partie fabriqués en utilisant une méthode de moulage. 21/ Procédé selon la revendication 20, caractérisé par le fait que ladite méthode de moulage est réalisée à partir de barbotine sans liant. 22/ Procédé selon la revendication 21, caractérisé par le fait que le moule est constitué de poudre de même composition que la barbotine déshydratée. 23/ Procédé selon la revendication 21, caractérisé par le fait que les éléments obtenus sont préfrittés puis façonnés par tout moyen mécanique. 24/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que' lesdits éléments sont fabriqués, en totalité ou en partie, en utilisant une méthode de pressage isostatique. 25/ Procédé selon la revendication 24, caractérisé par le fait que les pièces obtenues sont façonnées mécaniquement. 26/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que lesdits éléments sont réalisés avec le même matériau. 27/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que certains éléments sont obtenus par traitement thermique au four solaire. 28/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que certains éléments sont préfrittés avant l'assemblage. 29/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que pendant ou après ledit assemblage de la barbotine est ajoutée sur certaines parties desdits éléments. Cette opération étant suivie d'un séchage. 30/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que ledit assemblage subit un préfrittage. 31/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que ledit frittage est effectué dans l'air. 32/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que ledit frittage est effectué en atmosphère contrôlée, 33/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait qùe ledit frittage est effectué sous charge (Hot pressing). 34/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que ladite céramique est constituée en totalité ou en partie d'oxydes réfractaires. 35/ Procédé selon la revendication 34, caractérisé par le fait que ladite céramique est constituée d'alumine, de mullite, de zircone, de cordiérite, de magnésie, de silice, de thorine, d'oxyde de béryllium ou d'uranium ou de calcium ou d'yttrium ou de cérium ou encore d'un mélange de certains de ces oxydes. 36/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que ladite céramique est constituée de borures, de nitrures ou de carbures. 37/ Procédé selon la revendication 36, caractérisé par le fait que ladite céramique est constituée de TiB2, ZrB2, Si3N4 ou SiC. 38/ Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que ladite céramique est métallisée (cermet).