Brevet FR2586093A1 — publié le 19870213

Cette invention concerne un accessoire ou un outil pour la cuisson de produits céramiques, tel qu'un support d'enfournement ou un creuset, qui est uti- lisé dans un four de cuisson. L'invention concerne en particulier un tel accessoire en mousse céramique. Dans l'art antérieur, on utilise différents accessoires dans un four pour la cuisson de produits céramiques, notamment des accessoires formés entièrement de réfractaires et des accessoires dits légers. Un ac- cessoire formé entièrement de réfractaires est produit par la mise en forme d'un ou plusieurs réfractaires, tels qu'alumine, carbure de silicium ou zircone, et par la cuisson du réfractaire mis en forme. Comme un tel ac- cessoire possède une masse volumique apparente élevée, de 2 à 4, sa capacité thermique est grande, de sorte que le rendement de chauffage du four de cuisson est diminué. Afin de réduire le poids des accessoires, on a proposé un accessoire dit léger, tel que décrit dans la demande de brevet japonais publiée 59-88378. Un tel accessoire léger contient un ou plusieurs réfractaires et de la fibre céramique et il possède une masse volumique appa- rente faible, inférieure à 1. Cependant, cet accessoire léger a l'inconvénient de ne pas très bien laisser pas- ser l'air chaud, du fait que sa porosité est faible, allant de 40% à 50%, et que le diamètre des pores est inférieur à 100)im. On connaît une mousse céramique, produite en imprégnant simplement une mousse d'uréthane souple d'une suspension céramique épaisse, suivi d'une cuisson, comme décrit dans les demandes de brevet japonais pu- bliées numéros 57-21507 et 51-27448, de même que dans le brevet des EUA numéro 3.090.094. Toutefois, cette mousse céramique connue possède des propriétés de résistance mécanique médiocres, telles qu'une résistance à la flexion de 0,5 MPa ou moins et une résistance à la compression de 1 à 3 MPa, de sorte qu'elle ne peut pas être utilisée pour un accessoire de cuisson de produits céramiques devant avoir une grande robustesse mécanique et une haute résistance à la chaleur. L'un des buts de l'invention est de procurer un accessoire perfectionné pour la cuisson de produits céramiques. Un autre but de l'invention est de procurer un accessoire de ce type augmentant le rendement de chauffage et possédant une faible masse volumique appa- rente. Selon l'invention, un accessoire ou un outil pour la cuisson de produits céramiques possède un corps en mousse céramique, ayant une structure réticulée à trois dimensions, constituée d'une multitude de brins céramiques reliés entre eux, ainsi qu'une couche de garnissage céramique formée sur au moins une partie de la surface du corps en mousse céramique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessin annexés, sur les- quels: - les figures 1A, lB, 1C, 1D et 1E sont des coupes transversales montrant une série d'étapes d'un procédé pour fabriquer une mousse céramique et plus particulièrement un brin d'une telle mousse selon l'in- vention; et - les figures 2, 3, 4 et 5 sont des coupes transversales montrant des exemples d'accessoires pour la cuisson de produits céramiques selon l'invention. Le procédé pour fabriquer une mousse céra- mique se déroule comme décrit ci-après en référence aux figures 1A à 1E. On commence par préparer une barbotine céra- mique. Le matériau de départ est composé de petites par- ticules dont la grosseur peut aller d'environ 0,1 à 44 >m. Le matériau céramique de départ est malaxé avec de l'eau et un liant à séchage rapide, tel que l'alcool polyvi- nylique, au moyen d'un broyeur à billes, de manière que l'on obtienne une suspension céramique épaisse ou barbo- tine d'une viscosité d'environ 0,2 à 1,5 Pa.s. On prépare également une mousse de départ de forme prédéterminée. A cet effet, il convient d'uti- liser une mousse d'uréthane ayant une structure d'uré- thane réticulée à trois dimensions, constituée d'une multitude de brins reliés entre eux. La figure lA montre une coupe transversale d'un brin 1 d'une telle structure. Ainsi que le montre la figure lB, une pre- mière couche céramique 2 est formée sur le brin d'uré- thane 1 en imprégnant la mousse d'uréthane, de manière à couvrir le brin 1 de la mousse d'uréthane. avec la bar- botine. On enlève la barbotine excédentaire. On sèche la mousse imprégnée,à une température d'environ à 100 C,dans une mesure suffisante pour qu'elle de- vienne dure. Ensuite, comme le montre la figure 1C, on forme une seconde couche céramique 3 sur la première couche céramique 2 en imprégnant la mousse et en cou- vrant la première couche 2 de barbotine. On enlève de nouveau la barbotine excédentaire puis on fait sécher la mousse jusqu'à ce qu'elle soit dure, comme pour la première couche 2. De plus, ainsi que le montre la figure 1D, on forme une troisième couche 4 sur la seconde couche 3 en imprégnant la mousse, de manière à recouvrir la se- conde couche 3 de barbotine. On enlève la barbotine ex- cédentaire. On fait sécher la mousse jusqu'à ce qu'elle soit dure, de la même manière que pour la seconde couche 3. Enfin, on fait cuire les brins 5, consti- tués de la mousse d'uréthane de-départ 1 et des couches céramiques 2, 3 et 4 sur ce brin, à une température élevée, d'environ 1500 C ou davantage. Ceci a pour résultat que les couches céramiques 2, 3 et 4 deviennent un élément en porcelaine multicouche ayant la forme du brun céramique 5 représenté sur la figure 1E. De nombreux brins céramiques 5 de ce type sont reliés entre eux pour constituer une structure céramique réticulée à trois dimensions, qui correspond à la structure initiale de la mousse de départ. En même temps, comme le brin d'uré- thane 1 disparaît lors de la cuisson, un passage vide ou canal 6 se forme dans la partie centrale de chaque brin 5. La mousse céramique ainsi obtenue possède une masse volumique apparente allant d'environ 0,4 à 2, une résistance à la compression allant d'environ 5 à 10 MPa, et une résistance à la flexion allant d'environ 1 à 3,5 MPa. Le taux de pores de la mousse est d'environ à 90% et la grosseur de pore est d'environ 0,5 à 4 mm. Dans cette invention, la masse volumique apparente de la mousse céramique peut être ajustée d'environ 0, 4 à 2 en ajustant l'épaisseur de l'élément multicouche céramique que constitue le brin 5. Si la masse volumique apparente de la mousse céramique est inférieure à environ 0,4, sa résistance mécanique est insuffisante, de sorte qu'elle risque d'être cassée avant ou pendant l'utilisation. Si la masse volumique apparente est supérieure à 2 environ, le taux de pores est trop fortement réduit, de sorte que le rendement de chauffage devient plus médiocre. La mousse céramique selon l'invention possède de préférence une masse volu- mique apparente comprise entre environ 0,7 et 1,5. La barbotine céramique est une suspension épaisse de matériaux céramiques tels que l'alumine (A1203), le carbure de silicium (SiC), la zircone (ZrO2) et l'alumine-zircone (A1203-ZrO2, dispersés dans de l'eau ou un alcool contenant un liant organique tel que l'alcool polyvinylique (PVA) ou une résine phénolique. En cas d'utilisation d'alumine, la grosseur des parti- cules est de préférence d'environ 0,1 à 10 pm et la gros- seur moyenne des particules devrait être comprise entre 1 et 10 um. Dans ce cas, il est préférable d'employer de l'alcool polyvinylique comme liant organique. En cas d'utilisation de carbure de silicium, il est préférable que la grosseur des particules soit inférieure à environ 44 pm; la grosseur moyenne des particules devrait alors être comprise entre environ 1 et 10 pm. De même, il est préférable d'employer du méthylcellulose, en tant que liant organique dans un tel cas. De plus, la cuisson devrait être effectuée à une température d'au moins 2000 C dans une atmosphère réductrice. En cas d'utili- sation de zircone, la grosseur des particules est de préférence inférieure à environ 44 pm et la grosseur moyenne des particules devrait être comprise entre en- viron 1 et 10 jum. De même,il est préférable d'utiliser environ 3% en poids de magnésie en tant, que stabilisa- teur. De plus, la cuisson devrait être effectuée à une température d'au moins 1500 C dans une atmosphére oxy- dante. En cas d'utilisation d'alumine-zircone, la compo- sition contient de préférence environ 70 à 95% en poids d'alumine et environ5 à 30% en poids de zircone. Dans cette invention, le brin céramique peut être à deux couches, mais il peut également être à quatre ou davantage de couches. De plus, à condition que la mousse céramique possède une résistance mécanique satisfaisante, le brin peut également être formé d'une seule couche. En cas d'utilisation d'une structure à plusieurs couches, chaque brin peut être constitué aussi de couches de compositions différentes ou ayant des gros- seurs de particules différentes. Des mousses céramiques préférées sont dé- crites dans les demandes de brevet des EUA numéro 807.955 et 807.956, auxquelles il y a lieu de se reporter pour plus de détails. Selon l'invention, une couche de garnissage céramique est formée sur une partie au moins de la sur- face du corps en mousse céramique. Par exemple, la sur- face du corps 10 en mousse céramique est revê- tue d'une épaisseur d'environ 1 à 10 mm d'une couche céramique 11, comme représenté sur la figure 2. La couche céramique 11 est de préférence formée du même matériau que le corps 10 en mousse céramique, de manière à empê- cher le détachement de la couche 11 sous l'effet d'une différence des coefficients de dilatation thermique entre la couche céramique 11 et le corps 10 en mousse céra- mique. La couche 11 peut être appliquée en plusieurs opé- rations, en utilisant une barbotine céramique d'une vis- cosité d'environ 2 à 6 Pa.s., jusqu'à obtention de l'é- paisseur désirée. Ce revêtement est appliqué avant la cuisson du corps 10 en mousse céramique; le corps ainsi revêtu est séché et cuit. La figure 3 représente un corps 10 en mousse céramique qui a la forme d'un support d'enfournement et dans la surface duquel est ménagé un creux dans lequel peut être disposée une couche 12 dite légère. Cette der- nière est produite, par exemple, en mélangeant des maté- riaux réfractaires et des fibres céramiques avec de l'eau et de la silice amorphe, en produisant la mise en forme du mélange par aspiration puis en soumettant le corps ainsi préparé à la cuisson. Ainsi que le montre la figure 4, il est possible également d'équiper un support 10, 11 comme celui de la figure 2, de pieds 13 fixés sur le dessous du corps 10 en mousse céramique. Les pieds sont de pré- férence réalisés de la même mousse céramique que le corps 10. La figure 5 montre en outre un exemple d'un accessoire ou outil pour la cuisson de poudre céramique. Cet objet a la forme d'un creuset; il possède un corps 14 en mousse céramique qui est revêtu sur sa surface inté- rieure d'une couche de garnissage céramique 15 formée par application d'une barbotine céramique. L'accessoire ou l'outil selon l'invention possède les avantages indiqués ci-après sur les acces- soires classiques pour la cuisson de produits céramiques. (1) Le corps en mousse céramique possède un taux de pores élevé, allant d'environ 80 à 90%, de même qu'une grande grosseurde pores, allant d'environ 0,5 à 4 mm, de sorte que l'air chaud peut facilement traver- ser le corps en mousse céramique et que le rendement de chauffage est très nettement amélioré. (2) Le corps en mousse céramique possède une faible masse volumique apparente, d'environ 0,4 à 2, ce qui correspond environ à la moitié jusqu'à un quart de celle des réfractaires conventionnels, de sorte que la capacité thermique de l'accessoire est réduite et que le rendement de chauffage est très nettement amélio- re. (3) L'accessoire ou l'outil selon l'inven- tion peut être produit aisément sous différentes formes. L'invention pourra être comprise mieux en- core à la lecture des exemples suivants: Exemple 1 Dans un broyeur à billes, on effectue le malaxage d'un matériau céramique de départ contenant 98% de poids en alumine, avec de l'eau et de l'alcool polyvinylique, de sorte qu'on obtient une barbotine cé- ramique d'une viscosité de 0,8 Pa.s. Le matériau céra- mique est composé de petites particules, dont les gros- seurs sont comprises entre 0,1 et 10 um et dont la gros- seur moyenne est comprise entre 0,5 et 5)lm. On prépare également une mousse d'uréthane souple de forme prédé- terminée. Ensuite, on forme une première couche céramique sur les brins de la mousse d'uréthane en imprégnant la mousse d'uréthane de la barbotine céra- mique. On enlève la barbotine excédentaire. On sèche la mousse imprégnée jusqu'à ce qu'elle soit dure, à une température d'environ 90 C. Ensuite, on forme, sur la première couche, une seconde puis une troisième couche, de la même manière que la première. De plus, on prépare une barbotine céramique en mélangeant 98% en poids d'alumine avec de l'eau et de l'alcool polyvinylique. La barbotine a une viscosité de 3 Pa.s. On applique cette barbotine sur la surface du corps en mousse céramique, sous une épaisseur de 5 mm, de manière à former la couche de garnissage céramique. Enfin, on cuit le corps de mousse céramique, portant la couche de garnissage céramique, à une tempé- rature de 1700 C. On obtient de cette manière une struc- ture de mousse constituée de brins de porcelaine multi- couche, la mousse d'uréthane ayant disparu lors de la cuisson et laissant un long canal vide dans la partie centrale de chaque brin. En même temps, la couche de garnissage céramique est fixée avec vitrification sur la surface du corps en mousse céramique. Le corps en mousse céramique de l'accessoire ainsi obtenu possède une masse volumique apparente de 0,7, un taux de pores de 88% et une grosseur de pore de 1 à 2,5 mm. La résistance à la flexion est de 2,3 MPa et la résistance à la compression est de 6,8 MPa. On utilise des accessoires fabriqués comme décrits ci-dessus pour la cuisson de condensateurs céra- miques et de ferrite dans un four électrique. La consom- mation d'énergie électrique pour la cuisson est de 320 kwh. A titre de comparaison, pour la même cuisson avec des accessoires classiques en réfractaires, la con- sommation d'énergie électrique est de 1000 kWh. En uti- lisant des accessoires conventionnels dits légers, la consommation d'énergie est de 500 kWh. Par conséquent, l'accessoire selon l'invention est supérieur aux accessoires classiques pour ce qui concerne le rende- ment de chauffage. Exemple 2 De la même manière que dans l'exemple 1, on produit le mélange d'un matériau céramique de départ constitué à raison de 80% en poids d'alumine et 20% en poids de zircone. On prépare également un bloc de mousse d'uréthane souple présentant un creux dans sa surface. Ensuite, on produit un corps en mousse céramique ayant la structure multicouche, de la même manière que dans l'exemple 1, et on effectue la cuisson à une temperature de1700 C. Le corps en mousse céramique obtenu possède un creux dans sa surface et il présente une masse volu- mique apparente de 1,5, un taux de pores de. 86% et une grosseur de pore de 1 à 2,5 mm. La résistance-à la flexion et la résistance à la compression sont respectivement de 2,9 et 8,3 MPa. De plus, on produit une barbotine céramique en mélangeant un matériau céramique léger, contenant 15 parties en poids de fibre d'alumine, 85, parties en poids en alumine et 10 parties en poids de silice amorphe, avec de l'eau. Ensuite, on produit la mise en forme par aspiration de la barbotine céramique et on effectue la cuisson à 1600 C. On obtient ainsi un corps céramique léger, ayant une masse volumique apparente de 1,6 et une porosité apparente de 55,1%. On dispose ce corps céra- mique léger dans le creux du corps en mousse céramique, en tant que couche de garnissage, de sorte qu'on obtient un accessoire de cuisson comme celui représenté sur la figure 3 par exemple. On utilise également des accessoires pro- duits comme décrits ci-dessus pour la caisson de conden- sateurs céramiques et de ferrite dans un four électrique. La consommation d'énergie électrique pour la cuisson est de 370 kWh, c'est-à-dire nettement inférieure à la consommation en cas d'utilisation d'accessoires clas- siques. REVENDICATIONS 1. Accessoire ou outil pour la cuisson de pro- duits céramiques, caractérisé en ce qu'il possède un corps (10,14) en mousse céramique, ayant une structure réticulée à trois dimensions, constituée d'une multitude de brins céramiques (5) reliés entre eux, ainsi qu'une couche de garnissage céramique (11,12,15) formée sur au moins une partie de la surface du corps en mousse céra- mique. 2. Accessoire selon la revendication 1 dont la couche de garnissage céramique est une couche de revê- tement céramique (11,15). 3. Accessoire selon la revendication 2 dont la couche de revêtement céramique est constituée du même matériau que le corps en mousse céramique. 4. Accessoire selon la revendication 1 dont la couche de garnissage est une couche légère constituée de matériau réfractaire et de fibre céramique. 5. Accessoire selon la revendication 1 dont le corps en mousse céramique (10,14) contient de l'alu- mine, du carbure de silicum, de la zircone ou de l'alu- mune-zircone. 6. Accessoire selon la revendication 1 consti- tuant un support d'enfournement (10,11). 7. Accessoire selon la revendication 6 consti- tuant un support d'enfournement (10,11) muni de pieds (13). 8. Accessoire selon la revendication 1 consti- tuant un creuset (14,15). 9. Accessoire selon la revendication 1 dont le corps en mousse céramique possède une masse volumique apparente d'environ 0,2 à 4. 10. Accessoire selon la revendication 1 dont le corps en mousse céramique possède une masse volumique apparente d'environ 0,7 à 1,5. ll il. Accessoire selon la revendication 1 dont le corps en mousse céramique a un taux de pores d'envi- ron 80 à 90%. 12. Accessoire selon la revendication 1 dont le corps en mousse céramique a une grosseur de pore d'en- viron 0,5 à 4 mm. 13. Accessoire selon la revendication 1, dans lequel chacun des brins céramiques est formé de plu- sieurs couches céramiques. 14. Accessoire selon la revendication 13, dans lequel les brins possèdent plusieurs couches céramiques ayant la même composition. 15. Accessoire selon la revendication 13, dans lequel les brins sont formés de plusieurs couches céra- miques ayant des compositions différentes. 16. Accessoire selon la revendication 12, dans lequel chacun des brins céramiques comporte en son centre un creux en forme de canal.