Brevet FR2584389A1 — publié le 19870109

La présente invention concerne la préparation de particules d'oxyde de zinc sphériques ou hémisphériques, les particules obtenues par un tel procédé, et leur applicaion dans le domaine de l'électronique et de l'électrotechnique. On sait que les cristaux d'oxyde de zinc peuvent présenter diverses morphologies qui dépendent essentiellement des techniques utilisées pour leur préparation. Ces techniques peuvent être réalisées en phase liquide, en phase vapeur ou en phase solide, et les cristaux obtenus peuvent être par exemple en aiguilles, en plaques, ou en prismes hexagonaux. Des exemples sont décrits notamment par H. Hashimoto et al. "Journal of Cristal Growth", 60 p. 159-162 (1982).La préparation de cristaux d'oxyde de zinc par réaction en phase vapeur implique des températures élevées, supérieures à 10000C, tandis que des particules d'oxyde de zinc peuvent être obtenues, en phase solide ou en phase liquide, par décomposition thermique de sels ou par croissance dans une base hydratée fondue, telle que la potasse, à des températures généralement comprises entre 300 et 700du. On sait également que de l'oxyde de zinc pulvérulent peut être obtenu par décomposition thermique d'hydroxynitrate de zinc, le produit résultant se présentant sous forme de cristallites à morphologie hexagonale. Des exemples sont décrits par D. Louër et al. "Journal of the American Ceramic Society" vol. 67, p. 136-141 (1984). Conformément à la présente invention, on a constaté que des particules d'oxyde de zinc peuvent être obtenues à partir d'un mélange de nitrates en fusion à une température relativement basse, et que ces particules présentent de manière surprenante une forme hémisphérique ou sphérique, favorisant leur application dans certains dispositifs tels que des varistances. La présente invention a donc pour objet un nouveau procédé de préparation de particules sphériques ou hémisphériques d'oxyde de zinc qui peut être mis en oeuvre aisément à des températures relativement basses. L'invention concerne également les particules sphériques ou hémisphériques d'oxyde de zinc obtenues par ce procédé, ainsi que leur application à la fabrication de varistances. Le procédé conforme à la présente invention, pour la préparation de particules d'oxyde de zinc, comprend les étapes suivantes : on mélange du nitrate de zinc hydraté et un nitrate de métal alcalin, on chauffe à une température suffisante pour provoquer la fusion du mélange, puis on porte le liquide à une température comprise entre 170 et 1900C, on recueille et on lave les particules d'oxyde de zinc formées. Le nitrate de métal alcalin mélangé au nitrate de zinc peut être par exemple du nitrate de sodium, du nitrate de rubidium ou du nitrate de potassium. Comme indiqué ci-dessus le nitrate de zinc est hydraté, et par exemple on peut utiliser avantageusement du nitrate de zinc tétrahydraté Zn(N03)24H20 ou du nitrate hexahydraté Zn(N03)26H20 que l'on mélange de préférence avec du nitrate de potassium en quantités équimoléculaires. La fusion du mélange est provoquée par chauffage à une température d'environ 1000C. Suivant une variante du procédé de l'invention, on ajoute au mélange de nitrates fondus, une faible quantité de nitrate d'un métal choisi parmi le cobalt, le cadmium et le nickel, et de préférence du nitrate de cobalt hydraté, représentant moins de 2% environ (du poids de zinc) du nitrate de zinc, et de préférence environ 1S. Cette addition est faite à une température comprise entre 170 et 1900C. Le mélange de nitrates fondus, contenant le cas échéant du nitrate de cobalt comme indiqué ci-dessus, est maintenu à une température comprise entre 170 et 1900C environ, pendant une période suffisante, qui peut être de quelques jours, pour faire apparaître des particules d'oxyde de zinc, que lton peut récupérer et laver à l'eau de manière usuelle. Si la température est inférieure à 1700C, la cinétique de formation des particules est trop lente, tandis que des microcristaux se forment si elle est supérieure à 19O0C. On a constaté que, de manière surprenante, ces particules d'oxyde de zinc présentent une forme parfaitement hémisphérique de diamètre compris entre 200 et 500 pm environ, et plus généralement entre 250 et 300 pm. Lorsque du nitrate de cobalt est ajouté au mélange de nitrates fondus, on obtient des particules sphériques de même diamètre que ci-dessus. Les analyses par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, par microscopie électronique à balayage, et par spectrographie d'émission dans l'arc, montrent que les particules sont exclusivement constituées d'oxyde de zinc, exemptes notamment de traces de carbonate. Quelques traces de nitrate présentes peuvent être éliminées par traitement thermique à haute température. Les particules sphériques sont constituées par deux hémisphères jointes suivant une zone diamétrale comportant de l'oxyde de cobalt. On peut observer que la forme hémisphérique ou sphérique des particules d'oxyde de zinc est conservée après traitement thermique, même après un recuit à 9000C pendant deux jours. Le procédé conforme à la présente invention peut être mis en oeuvre dans tout appareillage usuel approprié, sans requérir de conditions particulières. On peut par exemple mélanger les nitrates dans un creuset ou un cristallisoir résistant à la chaleur, que l'on chauffe dans une étuve. La forme des particules d'oxyde de zinc suivant la présente invention, et leurs propriétés, et en particulier la dimension des particules, permettent leur utilisation en particulier dans les varistances. On peut mettre à profit la morphologie privilégiée des particules d'oxyde de zinc de l'invention pour fabriquer par exemple des varistances à tension de seuil déterminée, sans qu'il soit nécessaire de procéder à un frittage à température élevée. Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter la portée. EXEMPLE 1 Un mélange correspondant à la composition chimique KZn(NO3)3 est réalisé à partir de 52,30y de Zn(N03)2,4H20 (Merck, pro analysi, Art. 8833) et de 20,229 de KN03 (Merck, pro analysi, Art. 5063), placés dans un cristallisoir de diamètre 12,5cm. Le mélange est placé à 1000C environ afin d'assurer la fusion du nitrate de zinc tétrahydraté et la dissolution du nitrate de potassium. Le liquide est ensuite placé à 1800C dans une étuve, le cristallisoir étant recouvert d'un verre de montre. Les particules hémisphériques apparaissent sur le fond du cristallisoir. Elles sont récupérées au bout de 10 à 15 jours, selon la cinétique de croissance des particules. La récupération de ces hémisphères est faite par lavage à l'eau distillée. L'introduction d'eau provoque l'apparition d'un précipité blanc (identifié par diffraction des rayons X) d'hydroxynitrate de zinc Zn5(0H)8(N03)2,2H20. Celui-ci est éliminé par lavages succesifs - environ 19+0,39 d'oxyde de zinc est ainsi obtenu à chaque préparation. EXEMPLE 2 On procède comme dans l'exemple 1, mais en ajoutant dans la préparation précédente l'équivalent de 1 (du poids en Zn) de nitrate de nickel hexahydraté. Cette opération est effectuée à 1000C après avoir réalisé la fusion des nitrates. Le mélange est ensuite placé à 1800C dans une étuve suivant la même technique que celle de l'exemple 1. On obtient ainsi des particules hémisphériques d'oxyde de zinc de mêmes caractéristiques morphologiques. Les mêmes résultats sont obtenus en remplaçant le nitrate de nickel hexahydraté par du nitrate de cadmium tétrahydraté. EXEMPLE 3 On procède comme dans l'exemple 1, mais en ajoutant dans la préparation précédente l'équivalent de 1 (du poids en Zn) de nitrate de cobalt hexahydraté. Cette opération est effectuée à 1800C. Il se forme un milieu hétérogène solide au sein du liquide visqueux, constitué en particulier de particules lamellaires noirâtres, attribuées à de l'oxyde de cobalt résultant de la décomposition rapide du nitrate correspondant. Un examen au microscope optique de la masse solide récupérée au bout de 10 à 15 jours laisse apparaître l'exis- tence de particules sphériques. Après agitation de cette masse solide, ayant pour but une meilleure dispersion, les micro-billes sont récupérées sur un verre de montre, celles-ci se rassemblant dans la partie centrale. Les micro-billes sont examinées en microscopie à balayage. Les dimensions sont de l'ordre de 300 à 500 pm, comme dans l'exemple 1, (avec toutefois une dispersion en tailles plus importante). En moyenne ces particules sphériques sont constituées de deux hémisphères jointes par une partie noirâtre attribuée à de l'oxyde de cobalt. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de particules d'oxyde de zinc, caractérisé en ce qu'on mélange du nitrate de zinc hydraté et un nitrate de métal alcalin, on chauffe à une température suffisante pour provoquer la fusion du mélange, puis on porte le liquide à une température comprise entre 170 et 3900C, on recueille et on lave les particules d'oxyde de zinc formées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mélange du nitrate de zinc hydraté et du nitrate de potassium. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une faible quantité de nitrate de cobalt, de cadmium ou de nickel est ajoutée au mélange de nitrates fondus. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on ajoute une quantité de nitrate de cobalt hydraté représentant moins de 2 ó (du poids en zinc) du nitrate de zinc. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce que le mélange de nitrates est chauffé à environ 1000C, puis maintenu à une température de 1800 environ jusqu'à apparition des particules d'oxyde de zinc. 6. Particules d'oxyde de zinc obtenues par le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisées en ce qu'elles présentent une forme sphérique ou hémisphérique de diamètre compris entre 200 et 500pu. 7. Varistance à l'oxyde de zinc caractérisée en ce qu'elle contient des particules sphériques ou hémisphériques d'oxyde de zinc selon la revendication 6.