Brevet FR2628415A1 — publié le 19890915

PROCEDE DE FABRICATION DE MATERIAUX SUPRACONDUCTEURS ET PRODUITS AINSI OBTENUS La présente invention a trait au domaine des matériaux supraconduc- teurs. On sait que la supraconductivité se caractérise entre autre par la disparition de toute résistance électrique dans un corps porté à très basse température. Jusqu'à un passé récent, l'état supraconducteur dans certains matériaux n'apparaissait qu'en-dessous d'une température seuil, dite "température critique", généralement proche du zéro absolu. Une telle contrainte a constitué à l'évidence un frein sérieux au développement sur une grande échelle de toutes les applications pratiques potentiel- les pouvant découler de la supraconductivité. Or, depuis peu, des recherches ont permis de mettre en évidence de nouveaux matériaux qui présentent des propriétés supraconductrices à plus hautes températures, c'est-à-dire des températures s'étalant de à 900K, voire plus. Ces matériaux sont pour la plupart à base de terres rares, d'alca- lino-terreux, de métaux de transition et d'oxygène. Plus spécifique- ment, les systèmes étudiés les plus prometteurs semblent être ceux à base d'yttrium et/ou lanthane et/ou d'erbium, de baryum ou/de strontium et/ou de calcium, de cuivre et/ou éventuellement d'autres métaux de transition, et d'oxygène. La formulation Y Ba2 Cu3 07_x (0 4 x 40,5) constitue un exemple particulièrement remarquable au sein de ces systèmes. La méthode de synthèse généralement décrite dans la littérature pour aboutir à ces matériaux repose sur une réaction en phase solide, à hautes températures (1 000 C), entre des oxydes et/ou des sels contenant un anion volatil (par exemple le carbonate) des éléments correspondants, ces derniers composés se présentant sous forme de poudres. Toutefois, un tel procédé présente plusieurs inconvénients sérieux. D'une part, il est d'un contrôle délicat et il en résulte générale- ment la formation de phases intermédiaires parasites conduisant à des inhomogénéités au sein du matériau. Ces inhomogénéités, non supracon- ductrices, modifient la composition de la phase majoritaire et abais- sent en conséquence la valeur du courant critique admissible ou peuvent même rendre la céramique elle-même non supraconductrice. D'autre part, il conduit à des poudres dont l'aptitude à la-mise en forme et au frittage peut paraitre insuffisante, notamment en ce qui concerne les densités à cru susceptibles d'être obtenues et les densités finales mesurées après frittage. Ce problème peut être notamment relié à la morphologie non controlée des poudres de départ. Or, au niveau de certaines applications pratiques, seule l'utilisa- tion des produits frittés supraconducteurs présente un intérêt réel. Il en découle donc a priori la nécessité de disposer tout d'abord de poudres supraconductrices parfaitement homogènes en taille et en compositions, et présentant de bonnes aptitudes au frittage. La présente invention a donc pour but de résoudre les problèmes ci-dessus et de proposer des moyens simples, efficaces et de mise en oeuvre aisée, pour obtenir de manière fiable et reproductible des poudres supraconductrices fines et homogènes présentant une excellente aptitude au frittage, et susceptibles de conduire par frittage à des matériaux frittés supraconducteurs de haute densité. On a maintenant trouvé, et il s'agit là'd'un des premiers objets de la présente invention, que l'on-peut obtenir des poudres supraconduc- trices à la fois fines, homogènes et facilement frittables au moyen du procédé de préparation selon l'invention, lesdites poudres étant du type de celles comprenant au moins une terre rare, au moins un alca- lino-terreux, au moins un métal de transition et de l'oxygène, et ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à traiter ther- miquement un aérosol contenant, sous la forme de sels organiques et/ou inorganiques et/ou sous la forme d'hydroxydes, ladite terre rare, ledit alcalino-terreux et ledit métal de transition dans un rapport correspondant à la stoèchiométrie de la composition supraconductrice désirée. Dans l'exposé qui suit de la présente invention, on entend par aérosol tout système de fines gouttelettes en dispersion dans un gaz, la phase liquide de l'aérosol contenant donc les précurseurs organi- ques et/ou inorganiques de la composition supraconductrice désirée. Cette phase liquide est généralement aqueuse; éventuellement, il pourrait être utilisé un autre solvant que l'eau, par exemple un alcool, à la condition nécessaire bien entendu que lesdits précurseurs soient solubles dans ce solvant. Un aérosol -selon l'invention peut être obtenu classiquement en procédant à l'atomisation, c'est à dire à la transformation en une multitude de fines gouttelettes, d'une solution initiale contenant les précurseurs de la poudre supraconductrice désirée; la phase liquide de l'aérosol possède alors la même composition que la solution précurseur initiale. On entend également, dans l'exposé qui suit, par terre rare d'une part tout élément du Tableau Périodique dont le numéro atomique est compris, inclusivement, entre 57 et 71, et d'autre part l'yttrium qui, par convention, est assimilé ici à une terre rare. Les terres rares particulièrement préférées pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sont l'yttrium, le lanthane et l'erbium. D'autre part, les alcalino-terreux utilisables dans le présent procédé sont principalement le calcium, le baryum et le strontium. Enfin, concernant les métaux de transition, on opérera de préférence avec le cuivre, mais tout autre métal de transition peut éventuellement convenir. Le choix des éléments au sein des familles ci-dessus se fera bien entendu en fonction de la nature et de la composition de la poudre supraconductrice que l'on désire obtenir. On notera d'ores et déjà que le procédé selon l'invention s'applique particulièrement bien a la fabrication des systèmes supraconducteurs du type Y-Ba-Cu-O; ces systèmes ont été étudiés notamment dans un article paru dans le Journal of American Chemical Society, 1987, 109, 2528-2530. De même, les proportions entre les divers éléments au sein de la phase liquide de l'aérosol (gouttelettes) sont ajustées classiquement en fonction de la stoechiométrie désirée dans le produit final, celle-ci devant naturellement correspondre à l'obtention des proprié- tés supraconductrices. Pratiquement, l'ajustement stoechiométrique se fait lors de la préparation de la solution précurseur initiale destinée à constituer l'aérosol, comme indiqué précédemment. Selon l'invention, la terre rare, l'alcalino-terreux et le métal de transition sont introduits dans' la solution initiale précurseur de l'aérosol sous la forme d'un de leurs sels et/ou d'un hydroxyde, ce sel et/ou cet hydroxyde devant être substantiellement soluble dans la phase solvante. Il peut être éventuellement nécessaire de modifier le pH de ladite solution initiale par ajout, selon le cas, soit d'acide, notamment d'acide acétique et/ou nitrique et/ou citrique, soit de base, comme l'ammoniac, et ceci dans le but d'augmenter la solubilité et/ou la stabilité des sels- et/ou hydroxydes précurseurs dans ladite solution. Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la terre rare, l'alcalino-terreux et le métal de transition sont introduits dans la solution initiale uniquement sous la forme de sels, identiques ou différents. Les sels inorganiques particulièrement préférés sont ceux qui se décomposent sans difficulté lors du traitement thermique ultérieur, c'est à dire sans libérer d'anions indésirables qu'il pourrait être difficile d'éliminer par la suite; à titre de sels inorganiques convenant tout à fait bien, on peut ainsi citer les nitrates et les carbonates. Les sels organiques particulièrement préférés pour la mise en oeuvre du procéde selon l'invention sont les sels d'acides aliphatiques saturés, tels que par exemple les formiates, les acétates et les proprionates; les acétates conviennent particulièrement bien. Encore plus spécifiquement, les solutions initiales particulièrement préférées dans la- présente invention sont les suivantes: - celles pour lesquelles tous les sels précurseurs sont des acétates en solution dans une phase aqueuse acidifiée à l'acide acétique - celles pour lesquelles les sels précurseurs, indifférement choisis parmi les nitrates, les acétates ou les carbonates, sont en solution dans une phase aqueuse acidifiée à l'acide citrique - celles dans lesquelles l'alcalino-terreux et le métal de transi- tion se présentent sous la forme d'acétates, et la terre rare sous la forme de nitrate, en solution dans une phase aqueuse, éventuellement acidifiée par de l'acide acétique. Concernant l'atomisation de la solution précurseur initiale, elle peut être réalisée au moyen de tout pulvérisateur connu en soi, par exemple par une buse de pulvérisation du type pomme d'arrosoir ou autre. Toutefois, certains pulvérisateurs peuvent se révéler insuffi- sants pour l'obtention de gouttelettes à la fois très fines et très homogènes au niveau de la distribution de leurs tailles. C'est pourquoi il est avantageux selon l'invention d'utiliser certains pulvérisateurs bien spécifiques, tels que les atomiseurs pneumatiques ou les atomiseurs ultrasoniques. 2 6 2 8 4 1 5 Selon un mode préférentiel de réalisation de l'iniention on utilise un atomiseur ultrasonique; ce type d'atomiseur est en effet particu- lièrement bien adapte pour réaliser de manière parfaitement reproduc- tible des aérosols constitués de très fines gouttelettes sphériques homogènes en taille. Ce type d'atomiseur est décrit notamment par R.J. LANG dans un article intitulé "Ultrasonic Atomisation of Liquids" (J. ACOUST Soc. Am., Vol. 34, n 1, page 6-8, 1962). Selon l'invention, le diamètre moyen des gouttelettes de l'aérosol peut être compris entre 0,5 micron et 6 microns, et plus préférentiel- lement entre 1 et 4 microns. Comme indiqué dans l'article précite, or. règle la taille moyenne desdites gouttelettes en jouant indépendamment ou simultanément sur la fréquence d'excitation du nébuliseur et/ou la densité de la solution et/ou sa tension superficielle. Les gouttelettes formées sont alors prises en charge par un gaz vecteur. Ce gaz peut être par exemple de l'azote, de l'air ou de l'oxygène. L'aérosol passe alors dans un ou plusieurs fours pour subir un traitement thermique. Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, le trai- tement thermique consiste a chauffer l'aérosol à une température au moins égale à 700 C, de préférence au moins égale & 850 C, mais dans tous les cas inférieure à 1000 C. On remarque en effet qu'à des températures inférieures à 700 C, la phase supraconductrice désirée n'est obtenue que partiellement, ce qui nécessite la mise en oeuvre d'un post traitement thermique qui peut avoir tendance à affecter l'homogénéité morphologique des poudres désirées. Par contre, à des températures supérieures à 700 C, il est possible d'obtenir directement et totalement la phase supraconductrice désirée. La durée du traitement thermique peut varier de 1 seconde à 30 minutes, et de préférence de 5 à 15 secondes. Le traitement thermique est conduit sous atmosphère d'air ou sous un mélange air/oxygène, mais de préférence sous air. Ce traitement thermique peut éventuellement, si nécessaire, être suivi d'un second traitement thermique, dit traitement de recuit, et ceci dans le but de parfaire la cristallisation des particules constituant la poudre supraconductrice. Le traitement de recuit est alors conduit sous oxygène a une température comprise entre 400 et 10000C, de préférence à une tempé- rature se situant aux environs de 850 C. La durée du recuit peut varier de une à plusieurs heures, de préférence de une a deux heures. A la suite du traitement thermique selon l'invention, éventuellement suivi d'un recuit, on récupère une poudre fine supraconductrice constituée de particules quasiment sphériques ayant substantiellement conservé l'homogénéité morphologique des gouttelettes initiales. Ces particules présentent une granulométrie macroscopique s'étalant de 0, 1 à 3 microns environ, en étant centrée avec un très faible écart-type standart (inférieur à 1,4) sur un diamètre moyen qui, suivant la distribution initiale des gouttelettes, se situe entre 0,1 et 2 microns, et de préférence entre 0,4 et 1,5 microns. Ces particules sont constituées de cristallites élémentaires de taille comprise entre 100 et 500 nanomètres, de préférence située aux environs de 250 nm (déterminée par microscopie électronique à balayage). Ces cristallites sont mâclés. D'autre part, la surface spécifique des poudres obtenues par le procédé selon l'invention est de l'ordre de 15 m2/g (mesurée, après compaction, à l'aide d'un porosimètre à mercure). Ces poudres présentent le phénomène de supraconductivité que l'on peut observer par l'apparition d'un diamagnétisme au dessous de 93 K due & l'effet MEISSNER. Les poudres supraconductrices selon l'invention se caractérisent en outre par des propriétés tout à fait remarquables et surprenantes vis à vis de leur aptitude au frittage. Ces poudres supraconductrices présentent en effet la propriété de pouvoir donner, après frittage, des matériaux frittés dont la densité finale est supérieure ou égale à 95 % de la densité théorique du matériau considéré. Pratiquement, il est possible de mettre en forme sous pressage une poudre supraconductrice selon l'invention jusqu'à obtenir un produit présentant une densité égale à 60 % de la densité théorique du matériau considéré, puis d'opérer un frittage sans charge, sous atmosphère d'oxygène, à une température comprise entre 900 et 1000 C, pendant un temps compris généralement entre 2 et 10 heures, suivi d'un refroidissement leht jusqu'à 20 C, de manière à aboutir finalement à un matériau fritté supraconducteur dont la densité soit supérieure ou égale à 95 % de la densité théorique du matériau considéré. Plus spécifiquement, les caractéristiques des poudres supraconduc- trices selon l'invention, au regard de leur aptitude au frittage. sont déterminées de la façon suivante: la poudre est tout d'abord pastillée, avec ou sans liant, sous une pression uniaxiale de 4,8 t/cm (480 MPa) jusqu'à obtenir une densite en cru égale à 60 % de la densité théorique du matériau désiré, puis frittée pendant 3 heures à une température de 910 C; on mesure alors la densité du produit fritté. Dans tous les cas on observe une densité finale supérieure à 95 % de la densité théorique du matériau considéré. D'autre part, on observe que le produit fritté obtenu présente des propriétés supraconductrices. Des exemples concrets illustrant l'invention vont maintenant être donnés. EXEMPLE 1 Cet exemple illustre l'invention dans le cadre de la préparation d'une poudre supraconductrice de formule: Y - Ba2 - Cu3 - 07_ x (O x On prépare une solution précurseur consistant en une solution aqueuse à base d'acétate de cuivre (0,2028 mole/l), d'acétate de baryum (0,1352 mole/l) et de nitrate d'yttrium (0,0676 mole/l). Le pH de la solution est ajusté à 4 par ajout d'acide acétique pour accroitre la solubilité des différents sels. Cette solution est ensuite atomisée au moyen d'un atomiseur ultraso- nique dont la fréquence d'excitation a été réglée pour donner des gouttelettes d'un diamètre moyen de 4,5 pm environ. Les fines gouttelettes de l'aérosol sont alors véhiculées pneumati- quement par de l'air (débit: 100 l/h), puis introduites dans un four permettant de faire passer rapidement leur température de l'ambiante à 850 C (la durée de montée en température est comprise entre 5 et 10 secondes). Le traitement thermique à 850 C est maintenu pendant 5 secondes. Les particules résultantes sont récoltées sur un filtre électrosta- tique. L'analyse aux rayons-X montre que l'on obtient une poudre homogène répondant à la formule Y - Ba2 - Cu3 - 07-x (O. orthorhombique caractéristique des composés Y Ba Cu O supraconducteurs. Cette poudre est constituée de particules quasiment sphériques dont les diamètres varient entre 0,3 pm et 1,5 pm en étant centrés sur un diamètre moyen de 0,7 pm avec un écart-type de 0,3. Chaque particule est constituée de cristallites élémentaires dont la taille (déterminée par microscopie électronique à balayage) est inférieure à 100 nanométres. Un recuit sous oxygène à 850 C pendant deux heures permet d'accroitre la cristallisation. La taille des cristallites apres recuit est alors voisine de 250 nanométres. La surface spécifique de la poudre, mesurée au moyen d'un porosi- mètre à mercure, est de l'ordre de 15 m /g. Des mesures de susceptibilité de la poudre montrent que celle-ci est supraconductrice en dessous de la température critique de 93 K. EXEMPLE 2 Comme l'exemple 1, cet exemple illustre l'invention dans le cadre de la préparation d'un matériau supraconducteur de formule Y - Ba2 Cu3 - 07-x (o la stabilité des différents sels. Cette solution est ensuite atomisée au moyen d'un atomiseur ultrasonique et l'aérosol amené dans un four dans les conditions décrites pour l'exemple 1. L'aérosol est alors porté en quelques secondes à 850 C puis maintenu à cette température pendant au moins 2 secondes. Les particules résultantes sont récupérées sur un électrofiltre. L'analyse aux rayons-X montre que l'on obtient une poudre homogène répondant à la formule Y - Ba2 - Cu3 - 07_x (O centrés sur un diamètre moyen de 1,5 pm avec un écart type de 0,4. Chaque particule est constituée de cristallites élémentaires dont la taille (déterminée par microscopie électronique à balayage) est inférieure à 100 nanomètres. Un recuit sous 02 à 850 C pendant 2 heures permet d'accroitre la taille des cristallites à une valeur voisine de 250 nanométres. Des mesures de susceptibilité magnétique de la poudre montrent que la poudre est supraconductrice en dessous de la température critique de 93 K. Z628415 EXEMPLE 3 Comme les exemples 1 et 2, cet exemple illustre à nouveau l'inven- tion dans le cadre de la préparation d'un matériau supraconducteur de ormule Y - Ba2 Cu3 - O7-x (O E seurs différents. On prépare une solution précurseur consistant en une solution aqueuse, a base d'acétate d'yttrium (0,02 mole/l), d'acétate de baryun (0,04 mole/l) et d'acétate de cuivre (0,06 mole/l). Le pH de la solution est ajuste à 4 par ajout d'acide acétique pour accroitre la stabilité des différents sels. Cette solution est ensuite atomisée au moyen d'un atomiseur ultra- sonique et l'aérosol amené dans un four dans les conditions décrites pour l'exemple 1. L'aérosol est alors porté en quelques secondes à 850 C puis maintenu à cette température pendant au moins 2 secondez. Les particules résultantes sont récupérées sur un électrofiltre. L'analyse aux rayons-X montre que l'on obtient une poudre homogène répondant à la formule Y - Ba2 -Cu3 -0 7x avec O diamètre moyen de 0,8 pm avec un écart-type de 0,35. Chaque particule est constituée de cristallites élémentaires dont la taille (déterminée par microscopie électronique à balayage) est inférieure à 100 nanomètres. Un recuit sous oxygène à 800 C pendant deux heures permet d'accroi- tre la taille des cristallites à une valeur voisine de 250 nanométres. Des mesures de susceptibilité magnétique de la poudre obtenue montrent que cette dernière est supraconductrice en dessous de la température critique de 93 K. 2 6 2 8 4 15 REVENDICAT ONS 1,/ Poudre céramique supracDnductrlce essentiellement base d'au norin2 une terre rate d'au $-ls qn alcatino-terreUX, -'.u moins un métal de trans:ticn et d'oxygene, caracterisee er: ce quele est constituée de p&rticules quasi spheriques dnrt la taille est centree sur un diamètre moyen compris entre 0,1 et 2 microns avec un écart-type standart inférieur ou égal a 1,4. 2/ Poudre selon la revendication 1 caractérisée en ce que lesdites particules sont constituées de crlstallites élémentaires de taille comprise entre 100 et 500 nanometres. 2, Poudre selon la revendication 2 caracterisée en ce que ladite taille de crista!lites eélémentaires se situe aux environs de 250 nanometres. 4/ Poudre ceramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ca-aztérisée en ce qu'elle répond a la formule: Y - Bat - Cu3 - 01 avec o tiellement à base d'au moins une terre rare, d'au moins un alcalino- -terreux, d'au moins un métal de transition et d'oxygène, notamment telle que définie à l'une quelconques des revendications 1 à 4 carac- térisé en ce qu'il consiste à traiter thermiquement un aérosol conte- nant, sous la forme de sels organiques et/du inorganiques et/ou sous la forme d'hydroxydes, ladite terre rare, ledit alcalino-terreux et ledit métal de transition dans un rapport correspondant à la stoechiométrie de la composition supraconductrice désirée. 6/ Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la phase liquide dudit aérosol est une phase aqueuse. 7/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6 caractérisé en ce que ledit aérosol est obtenu au moyen d'un atomisa- teur ultrasonique. 8/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que ledit traitement thermique est réalisé à une température d'au moins 700 C. 9/ Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit traitement thermique est réalisé à une température d'au moins 850 C. / Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 & 9 î 1 ara4er:se ern. ce que la duree dudes tratemenr. thermique est rór:se entre 1 seccnde et 30 mlnutes. 1 Procède selor. la revendicatlon 10 zaracterisé en re que ladite duree est comprise entre 5 et 15 secDndes. '22/ Prccede selon l'une quelconque des revendications E a 1 caracterise en ce que ledit traitement thermique est effectué sc:s alr. !3/ Procède selon l'une quelconque des revendications 5 a 12 carazterise en ce que la poudre issue dudit traiterment thermique es- soumise a un traitement de recuit realise a une température comprise entre 40C et 1000 C. 14' Procede selon la revendlcation 12 caractérise en ce que ledit traitement de recuit est realise a une temperature sne de 8E0 c. !5/ Piocede selon l'une quelconque des revendications 13 et 14 caractérise en ce que ledit traitement de reç'i réalise sous cxygene. 1.,' Prccede selon l'une quelconque des revendications 5 a 15 caracte-rsé en ce que l'on utilise des sels inorganiques et/ou organiques. 1-/ Procede selon la revendication 16 caractérisé en ce que lesdits sels inorganiques sont choisis parmi les nitrates et les carbonates. 18/ Procéde selon la revendication 16 caracterisé en ce que lesdits sels organiques sont des sels d'acides aliphatiques satures. 19/ Procedé selon la revendication 18 caractérisé en ce que lesdits sels organiques sont choisis parmi les formiates, les acétates et les propionates. / Procédé selon la revendications 19 caractérisé en ce que les sels organiques sont des acétates. 21/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 20 caractérisé en ce que la terre rare est choisie parmi l'yttrium, le lantane et l'erbium. 22/ Procédé selon l'une quelconques des revendications 5 à 21 caractérisé en ce que l'alcalino-terreux est choisi parmi le baryum, le strontium et le calcium. 23/ Procéde selon l'une quelconque des revendications 5 à 22 caractérisé en ce que le métal de transition est le cuivre. 24/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 a 23 caractérisé en ce que la terre rare est l'yttrium, l'alcalino-terreux est le baryum, et le métal de transition est le cuivre.