Brevet FR2579978A1 — publié le 19861010

MELANGE POUR PRODUIRE UNE MATIERE CERAMIQUE RESISTANT A LA RUPTURE, RENFORCEE DE FIBRES, PAR CHAUFFAGE PAR MICRO-ONDEs La présente invention concerne d'une manière générale un mélange contenant les fibres, et un procédé de production d'une matière céramique résistant à la rupture, renforcée de fibres, en utilisant un chauffage par micro-ondes. L'invention résulte d'un contrat avec le département de l'énergie (Contrat N W-7045-ENG-36). La fabrication classique des céramiques consiste à utiliser des fours à chauffage par résistance, qui consomment des quantités d'énergie, de temps et de main-d'oeuvre relativement importantes tout en soumettant les céramiques à des environnements assez hostiles. Un autre procédé de fabrication des matières céramiques utilisées dans des joints a été décrit dans les demandes de brevets des E.U.A. n 538,889 et 538,8890, intitulées "Ceramic-Glass-Metal Seal By Microwave Heating" et "Ceramic- Glass-Ceramic Seal By Microwave Heating", respectivement. Les matières céramiques utilisées dans les joints ont été formées en soumettant une bouillie comprenant un agent de couplage, tel que de l'huile pour montre, et un matériau d'étanchéité, tel que du verre, répandu uniformément entre les substrats de céramique et de céramique ou de métal, à une énergie de micro-onde pour provoquer un chauffage et la formation du joint. Un autre procédé et un autre mélange pour fabriquer des matières céramiques, également utilisés dans des joints, ont été décrits dans la demande de brevet des E.U.A. n 659,586. Cet autre procédé consiste à soumettre un mélange d'un matériau d'étanchéité vitreux, d'un agent de couplage et d'un oxydant à un rayonnement de micro-ondesqui chauffe le mélange suf- fisamment pour enflammer l'oxydant et pour provoquer la formation d'un joint en phase liquide. Les matières céramiques fabriquées même par ces nouveaux procédés de chauffage par micro-ondes posent toujours des problèmes. En particulier, lorsque Les matières céramiques sont produites dans des dimen- sions supérieures à environ 10cm x 10cm, it se produit des ruptures. En outre, Les matières céramiques produites, tant par Le procédé de chauffage par micro- ondes que par Les procédés classiques, ne peuvent pas être modifiées de telle sorte que la chaLeur accumulée soit dans, soit sur le substrat de céramique ne peut pas être dissipée d'une manière géométriquement contr6ôlée. Enfin, les matières céramiques n'ont pas de vaLeur de capacité en dérivation spéciale qui permettrait des temps de transit plus courts pour les impulsions élec- triques dans Les parcours conducteurs établis sur Les substrats de céramique. Un des buts de La présente invention est donc de fournir un procédé amélioré pour fabriquer Les substrats de céramique qui ait une résistance à la rupture plus élevée dans Les formes géométriques plus grandes. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé aisément automatisé, consommant peu d'énergie, productif, rapide et efficace pour fabriquer des substrats de céramique ayant une résistance supé- rieure. Un autre but de la présente invention est de fournir un substrat de céramique dans Lequel La dissi- pation de la chaleur produite dans ou sur le substrat puisse être maîtrisée géométriquement. Enfin, un autre but de la présente invention est de fournir un substrat de céramique ayant une valeur de capacité en dérivation telle que Les impulsions électroniques dans des parcours conducteurs établis aient des temps de transit plus rapides. Pour réaliser les objectifs qui précèdent ainsi que d'autres et conformément aux buts de la présente invention, tels que réalisés et décrits d'une manière générale dans le présent mémoire, le procédé de l'invention peut consister à préparer un mélange pré- curseur de céramiques comprenant une matière vitreuse, un agent de couplage et des fibres résilientes;à enfermer le méLange dans une matière isolante; à traiter par les micro-ondes ce mélange avec une puissance, pendant un temps et avec une fréquence suffisantes pour lier la matière céramique aux fibres; et à laisser la matière refroidir, garantissant ainsi l'obtention d'une matière céramique résistant à la rupture, renforcée de fibres. La présente invention peut aussi comprendre, conformément à ces buts et à ces objectifs, une matière résistant à la rupture, renforcée de fibres, fabriquée par'un procédé comprenant les stades consistant à préparer un mélange précurseur de céramique comprenant une matière vitreuse, un agent de couplage et des fibres résilientes; à enfermer le mélange dans une matière isolante; à traiter le mélange par les micro-ondes avec une puissance, pendant un temps et avec une fréquence suffisants pour lier la matière céramique aux fibres; et à laisser la matière refroidir, garantissant ainsi l'obtention d'une matière céramique résistant à la rupture, renforcée de fibres. En outre, la présente invention peut aussi comprendre, conformément à ces objectifs et à ces fins, le substrat de céramique résistant à la rupture, renforcé de fibres, dans Lequel les fibres sont orientées de telle manière que la chaleur produite dans ou sur le substrat soit dissipée suivant un dessin géométrique désiré parallèle au dessin des fibres. 79978 Enfin, la présente invention peut également comprendre, conformément à ses objectifs et à ses fins, le substrat de céramique résistant à la rupture, ren- forcé de fibres, dont la valeur de capacité en dérivation pour un parcours conducteur est plus faible que pour la même matière céramique sans fibres. Un avantage de la présente invention provient des économies de temps et d'énergie importantes qu'elle permet d'obtenir par comparaison avec les procédés classiques de chauffage,- à savoir le chauffage radian, pour fabriquer des substrats céramiques. Un autre avantage de la présente invention est La résistance supérieure que présente toute matière céramique fabriquée avec inclusion de fibres résilientes. Un autre avantage de la présente invention est la possibilité de réaliser le schéma de dissipation de la chaleur désirée conformément à l'orientation des fibres dans le substrat de céramique. Un autre avantage de la présente invention est la plus faible valeur de capacité en dérivation pour un parcours conducteur dans ou sur le substrat de céramique renforcé de fibres, qui conduit à un temps de transit des impulsions électroniques plus rapides pour tout circuit dans ou sur le substrat de céramique. Les dessins annexés, qui sont incorporés au présent mémoire et en font partie, illustrent les modes de réalisation dela présente invention, et, en même temps que la description, servent à expliquer les principes de l'invention. Dans les dessins: - la figure 1 est une photomicrographie à un grossissement de 100 fois d'une section polie de la matière céramique résistant à la rupture, ren- forcée de fibres, fabriquée dans l'exemple 2, - la figure 2 est une photomicrographie à un grossissement de 500 d'une section polie de la matière céramique résistant à la rupture, renforcée defibres fabriquée dans l'exemple 2. Le premier stade de la fabrication d'une matière céramique résistant à la rupture, renforcée de fibres en utilisant le chauffage par micro-ondes, consiste à préparer un mélange contenant l'agent de couplage, La matière vitreuse et des fibres résilientes. Le matériau d'étanchéité vitreux est le plus souvent un verre ayant des propriétés de dilatation thermique qui sont compatibles avec les fibres résilientes à Lier. Les agents de couplage peuvent être des matières telles que des huiles, en particulier de l'huile pour montre, des glycéroLs, du carbure de silicium, de l'eau et du sucre. Les agents de couplage qui précèdent couplent tous, c'est-à-dire absorbent les microondes et transforment l'énergie en énergie thermique, en micro-ondes de 2, 45 gHz de fréquence. D'autres liaisons moléculaires couplent aussi en micro-ondes de 2,45gHz de fréquence. Ces liaisons comprennent celles présentes dans les groupes N02, NO3, C02 et NH3. Lorsqu'un oxydant comprend un de ces groupes, l'oxydant peut fournir de la chaleur par convexion pour élever la température de la matière vitreuse ainsi que pour élever sa propre température en direction du point d'inflammation. Des oxydants facultatifs qui peuvent être inclus dans te mélange précurseur de céramique comprennent des nitrates, qui sont les oxydants préférés, le nitrate de sodium étant l'oxydant préféré. Lorsqu'on élève la température de la matière vitreuse, la matière cesse d'être trans- parente aux micro-ondes et elle commence à produire de la chaleur sous l'effet du couplage aux micro-ondes. Si le mélange précurseur de la céramique contient aussi un oxydant, l'oxydant est enflammé par la convexion de la chaleur provenant de l'agent de couplage. Lorsque l'oxydant est enflammé, La chaleur supplémentaire ainsi fournie assure une fusion poussée du méLange précurseur de céramique et une Liaison forte aux fibres résiLientes. En raison de La chaLeur supplémentaire produite par la combustion du nitrate de sodium, Les températures du mélange peuvent s'élever jusqu'à 1000 C. A cette tem- pérature, La matière vitreuse à haute température se couple suffisamment à L'énergie des micro-ondes pour poursuivre le chauffage. Le méLange des ingrédients pour le mélange précurseur de La céramique est effectué par des techniques cLassiques. Après mélange intime des constituants du mélange précurseur de La céramique, le méLange est placé dans un creuset de zircone. Dans une installation de production, un mélange de précurseur de céramique peut itre transformé dans un substrat céramique-par te procédé bien connu de coulée en bandes. Le procédé de couLée en bandes utiLise habitueLLement une source de chaleur classique telle que de La chaleur radiante. Pour L'invention, la région de chauffage serait un tunnel à micro-ondes dans LequeL La bande se dépLacerait en continu à travers la région d'exposition au rayonne- ment des micro-ondes. Pour le procédé en discontinu mettant en jeu des creusets, Le mode opératoire de chauffage par micro-ondes est décrit d'une manière générale dans La demande de brevet n 538,990, qui est incorporée au présent mémoire à titre de référence. En résumé, dans cette demande de brevet, après que les pièces de céramique sont prêtes pour le chauffage pour être scellées, contrairement à la formation du substrat de céramique, eLLes sont entourées dans ce cas d'une matière isolante, pLacée dans une cavité, habituellement appelée un four, pour L'exposition à l'énergie des micro-ondes, puis chauffé par une énergie de micro-ondes suffisamment Longtemps pour porter le verre à une température suffisamment élevée pour qu'il se forme un joint de verre. Dans cette demande de brevet, l'exposition à l'énergie des micro-ondes serait suf- fisamment longue pour fondre de manière complète le mélange précurseur de céramique pour assurer la formation du liaison adéquate entre la matière céramique et les fibres résilientes. Cependant, la durée d'exposition à l'énergie des micro-ondes ne doit pas être suffisamment longue pour conduire à la dégradation des fibres résilientes. Lorsqu'on utilise des sources de chaleur classique, la durée d'exposition à la chaleur élevée peut être suffisamment longue pour provoquer une dégradation notable d'un nombre important de fibres pour assurer une liaison adéquate avec les autres fibres. Ainsi, le procédé de chauffage par micro-onde permet un chauffage rapide tel que la matière vitreuse soit liée aux fibres résilientes avant que les fibres ne soient dégradées. Apres avoir laissé un temps suffisant pour que se forme la liaison entre les fibres résilientes et la matière du vitreuse, les creusets sont retirés du four à micro- ondes et mises à refroidir. Une autre caractéristique obtenue lorsqu'on utilise l'exposition à un rayonnement de micro-ondes comme moyen de chauffage est que le vecteur ExH du champ électromagnétique établi dans la cavité de réaction oriente les fibres dans une direction unique. Cette orientation permet aux fibres d'agir comme un moyen de diriger la chaleur formée dans ou sur le substrat (le substrat en cours d'utilisation, et non au cours de la formation du substrat) dans un dessin géométrique désiré parallèle au dessin des fibres. Ceci est dû au fait qu'en général la chaleur s'écoule selon un dessin paral- lèle au dessin des fibres. D79978 Un autre avantage du substrat de céramique renforcé de fibres est que lorsque la base du substrat est utilisée comme plan de base électrique, la capacité en dérivation du substrat est modifiée. Un choix soigné des fibres résilientes pour qu'elles aient une constante diélectrique plus faibLe que Le substrat de céramique signifie que le substrat de céramique résistant à la rupture, renforcé de fibres, aura une valeur diélectrique pLus faible que la même matière céramique sans fibre. En raison de cette constante diélectrique plus faible, la capacité en dérivation de La matière céramique autour d'un parcours conducteur établi sera plus faible. Cette capacité en dérivation plus faible a pour résultat que toute impulsion électronique se déplaçant le long du parcours conducteur aura un temps de transit plus faible car la capacité en dérivation plus faible défor- mera moins l'impulsion. EXEMPLE I On prépare un mélangeur précurseur de céra- mique avec les ingrédients suivants: fibres de Sic - 1,0 g AI203 - 8 g NaNO3 - 6,5 g Glycérol - 10 g Il est à noter que l'AL203 ci-dessus se fritte à 1 850cC en utilisant un moyen de chauffage classique, et qu'avec l'addition de l'oxydant NaN03, la température de réaction attendue est de 1 000 C. Cette température est atteinte pendant une courte durée, puis l'A1203 se coupe et s'échauffe à sa température de frittage. Après mélange, le mélange précurseur de céramique est placé dans un creuset de ZrO2 qui mesure 2,5 cm par 2 cm de haut. Le creuset est ensuite placé dans une cavité isolante de Zircar AL-15, puis celle-ci est placée dans la région de plus forte intensité du champ électrique de micro-ondes dans un four à micro-ondes Litton modèle 1 521. On allume le four à pleine puissance et on le laisse fonctionner 60 min. La matière céramique se lie de manière satisfaisante aux fibres de SiC. EXEMPLE II On prépare le mélange suivant et on le place dans un creuset de ZrO2, puis on le place dans une cavité thermiquement isolante et on l'expose enfin à des micro-ondes dans un four à micro-ondes Litton I 521 comme dans l'exemple I: Fibres de Sic - 1,3 g Pyrex (7 740) - 12 g NaNO3 - 4 g Glycérol - 7 g On fait fonctionner le four à pleine puissance pendant 64 min, et il se forme un substrat de céramique renforcée de fibres. Le verre Pyrex (7 740) est une marque déposée de la société Corning Glass. La figure 1 est une vue e-n coupe transversale à un grossissement de 100 fois du produit céramique formé. On voit une fibre de SiC orientée dans une direction horizontale. La figure 2 peut être considérée comme une vue en élévation à un grossissement de 500. La présence de cercles atteste l'orientation parallèle des fibres. EXEMPLE III On transforme le mélange suivant en une matière céramique résistante à la rupture, renforcée de fibres, comme dans l'exemple II: Fibres de Si3N4 1,5 g A1203 - 10,5 g Glycérol - 9 g. Cependant, on fait fonctionne le four à micro- ondes pendant 110 min à pleine puissance. EXEMPLE IV On transforme le mélange précurseur de céra- mique suivant en une matière céramique résistante à la rupture, renforcée de fibres, par chauffage à pleine puissance pendant 65 min comme dans l'exemple II. Des trichites sont présents dans le verre fondu: Fibres de Si3N4 - 1,5 g Pyrex (7 740) - 10 g Glycérol - 10 g. EXEMPLE V On transforme le mélange suivant en une matière céramique résistante à La rupture, renforcée de fibres, en la chauffant pendant 90 min comme dans l'exempte II: Fibres de Si3N4 - 1,2 g ZrO2 - 15 g NaNO3 - 8 g Glycérol - 12 g. EXEMPLE VI On transforme le mélange précurseur de céramique suivant en une matière céramique résistante à la rupture, renforcée de fibres, en la chauffant pendant min comme dans l'exemple II: Fibres de SiC - 1,6 g ZrO2 - 15 g Zr(NO0) - 10 g 3 4 Glycérol - 12 g. EXEMPLE VII On transforme le mélange suivant en une matière céramique résistante à la rupture, renforcée de fibres, en la chauffant pendant 105 min comme dans l'exemple II: Fibres de Si3N4 - 1,2 g Verre spécial (point de fusion 850 C) - 10 g. Glycérol - 8 g. Le verre spécial est produit pour l'utilisation dans cet exemple à partir d'un mélange des pourcentages 1 1 suivants: PbO - 50 %, AL203 - 5 %, SiO2 - 35 %, B203 - 10 %. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une matière céramique résistante à La rupture, renforcée de fibres, comprenant les stades consistant à: a. préparer un mélange précurseur de cérami- que comprenant une matière vitreuse, un agent de cou- plage, et des fibres résilientes; b. enfermer ce mélange dans une matière isolante; c. traiter ce mélange par des micro-ondes avec une puissance, pendant un temps et avec une fréquence suffisante pour tier La matière céramique à ces fibres; et d. laisser refroidir cette matière, garantis- sant ainsi L'obtention d'une matière céramique résistante à La rupture, renforcée de fibres. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le méLange précurseur de céramique contient en outre un oxydant qui s'enflamme au cours du stade de traitement par des micro-ondes c, provoquant ainsi la formation d'une matière en phase liquide avant le stade de refroidissement d. 3. Procédé selon la revendication 2, dans Lequet cet oxydant est un nitrate. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ces fibres sont du carbure de silicium ou du nitrure de silicium. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel cet agent de couplage est du glycérol. 6. Procédé selon la revendication 1, dans LequeL Les fibres sont du carbure de silicium ou du nitrure de silicium. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ce traitement par les micro-ondes est poursuivi avec une puissance, pendant un temps et avec une fréquence suffisante pour orienter ces fibres pratique- ment toutes dans la même direction. 8. Matière résistante à la rupture, renforcée de fibres, fabriquée par un procédé comprenant les stades consistant à: a. préparer un méLange précurseur de céra- mique comprenant une matière vitreuse, un agent de couplage et des fibres résilientes; b. enfermer ce mélange dans une matière isolante; c. traiter ce mélange par les micro-ondes avec une puissance, pendant un temps et avec une fréquence suffisante pour lier la matière céramique à chaque fibre; et d. laisser refroidir cette matière, garantis- sant ainsi l'obtention d'une matière céramique résis- tante à la rupture, renforcée de fibres. 9. Matière de la revendication 8, dans laquelle ce mélange précurseur de céramique contient en outre un oxydant qui s'enflamme au cours du stade de traitement par les micro-ondes c, provoquant ainsi la formation d'une matière en phase liquide avant le stade de refroidisssement d. 10. Matière selon la revendication 9, dans laquelle cet oxydant est un nitrate. 11. Matière selon la revendication 9, dans laquelle ces fibres sont du carbure de silicium ou du nitrure de silicium. 12. Matière selon la revendication 8, dans laquelle cet agent de couplage est du glycérol. 13. Matière de la revendication 8, dans laquelle les fibres sont du carbure de silicium ou du nitrure de silicium. 14. Matière selon la revendication 8, dans laquelle ce traitement par les micro-ondes est poursuivi avec une puissance, pendant un temps et avec une fréquence suffisante pour orienter ces fibres prati- quement toutes dans la même direction. 15. Substrat de céramique résistant à la rupture, renforcé de fibres, dans Lequel les fibres sont orientées de telle manière que la chaleur produite dans ou sur le substrat soit dissipée suivant un dessin géométrique désiré parallèLe au dessin des fibres. 16. Substrat de céramique résistant à la rupture, renforcé de fibres, dont la valeur de capacité en dérivation p6ur un parcours conducteur est plus faible que pour la même matière céramique sans fibre.