Brevet FR2639343A1 — publié le 19900525

La présente invention concerne une composi.- tion en céramique semi-conductrice et son application dans la fabrication des bougies d'allumage du type haute énergie-basse tension (HE-BT). Les bougies d'allumage HE-BT, utilisées no- tamment dans les turbines à gaz et les moteurs i réaction, sont du type capable de fournir une énergie de quelques dixièmes de joules à plusieurs joules sous une tension de 2 à 3 kV, alors que la tension de fonc- tionnement des bougies du type haute énergie-haute tension (HE-HT) est de l'ordre de 20 kV. Les bougies du type HE-BT comprennent un matériau semiconducteur entre les électrodes (au lieu d'un isolant pour les bougies HEHT), de sorte qu'une tension suffisante aux bornes des électrodes conduit d'abord au claquage du semi-conducteur provoquant une ionisation suffisante i l'établissement de l'étincelle entre les électrodes. Les avantages de la bougie HE-BT consistant notamment en son fonctionnement peu dépendant des con- ditions de la chambre de combustion et nécessitant une chaine d'allumage de moindre importance, ont conduit au développement de semi-conducteurs en céramique i base de carbure de silicium, décrits en particulier dans FR-A-2 269 789 et FR-A-2 346 881. Toutefois, si les sytèmes BT ne se sont pas généralisés sur les moteurs, c'est que la durée de vie d'une bougie semi-conducteur devient très réduite dans les cas d'utilisation sévère, c'est-à-dire i haut niveau de pression et de température. Alors que pour les bougies HT c'est l'usure des électrodes qui con- ditionne la durée de vie, pour les bougies BT c'est l'usure du semiconducteur, qui.intervient avant l'érosion notable des électrodes. Il était donc sou- haitable d'améliorer la durée de vie des semi-con- ducteurs utilisables dans les bougies HE-BT. La Demanderesse a établi que c'est surtout dans la phase de commutation du semi-conducteur que se produit la dégradation du matériau le formant, c'est- à-dire avant la phase d'étincelle, et a réussi à limi- ter l'énergie de pré-ionisation du matériau par l'ad- jonction d'éléments thermoémissifs. Elle a ainsi mis au point une composition en céramique semi-conductrice comportant d'excellentes qualités de décharge et une durée de vie améliorée, qui est utilisable en parti- culier pour les bougies d'allumage de turbines à gaz ou moteurs à réaction. L'invention a donc pour objet une composi- tion en céramique semi-conductrice obtenue à partir (a) une composition de base comprenant 40 à 80. en poids d'un semi-conducteur qui est un carbure de si- licium ou de bore, 5 à 40X en poids d'un liant ou d'un mélange de liants choisis parmi l'alumine, l'oxyde de béryllium, l'oxyde de zirconium, l'oxyde de magnésium, la silice et le nitrure de silicium, et O à 401 d'un fondant ou d'un mélange de fondants choisis parmi les carbonates et oxydes alcalino-terreux, les oxydes de terres rares et les silicates de métaux, caractérisée par l'addition de (b) 5 à 40. en poids, par rapport à la composition de base (a) d'un dopant thermoémissif choisi parmi le titane, le titanate de baryum, le tungstène et le borure de lanthane. Le liant est une poudre isolante à haut point de fusion, constituant le support du semi-con- ducteur. Le fondant, qui n'est pas indispensable dans cette composition et sert essentiellement à réduire la température de cuisson, est avantageusement un sili- cate ou un mélange de silicates notamment de magnésium et d'aluminium tels que la bentonite, le kaolin, le 26393-43 talc, etc, mais également des carbonates alcalino-ter- reux tels que la dolomie, etc. On peut utiliser en particulier de 10 à 30Z en poids de fondant(s) dans la composition de base (a). Le dopant thermoémissif qui est un composant essentiel selon l'invention est avantageusement du titanate de baryum ou du borure de lanthane (LaB6) qui, outre leur fort pouvoir émissif, ne dégradent pas le composant semi-conducteur. La mise en oeuvre de la composition de céra- mique selon l'invention -malaxage, pressage et cuis- son- s'effectue de maniére traditionnelle selon les matériaux utilisés. Les exemples suivants illustrent l'inven- tion. EXEMPLE 1 a) Préparation de la composition de céramique. On prépare une composition de base ayant la formulation suivante (Z en masse): carbure de silicium (2 à 25 mm)........ 60 bentonite.............. .............. 5 kaolin................................. 10 talc..........DTD: ......................... 5 dolomie................................ 10 alumine (3,5 à 4 pm)................... 10 On malaxe I kg de cette composition dans un mélangeur à boulets pendant 2 h. On ajoute 65 g d'eau..DTD: puis 100 g (10Z) titanate de baryum et on malaxe pen- dant 1/2 h. Le mélange obtenu est passe sur un tamis de 630 pm. b) Pressage et cuisson. On presse à 300 bars (30 MPa) la composition de céramique obtenue cidessus en cylindres de 10.5 mm de diamètre et 30 mm de haut. On dispose les cylindres dans un moule en céramique, on les étuve à 0B-C pen- dant 2 heures, puis on les cuit à 1630tC pendant 27 h. EXEMPLE 2 On utilise la même formulation que dans l'exemple 1, sauf l'élément thermoémissif qui est de la poudre de titane (granulométrie 13 pm) au lieu du borure de lanthane. Après pressage en cylindres, on effectue la cuisson à 1600'C pendant 48 heures. EXEMPLE 3 On opère exactement comme dans l'exemple 1, mais en utilisant du borure de lanthane au lieu du titanate de baryum. Les cylindres de semi-conducteur en cérami- que ainsi obtenus ont été usinés, montés dans des bougies soumises aux essais suivants pour déterminer leurs caractéristiques en comparaison avec des bougies "A" de même diamètre utile, contenant des semi-conduc- teurs en céramique à base de carbure de silicium, qui sont connues pour avoir la meilleure longévité. Les essais ont été réalisés sous une tension de 2 kV. I. ENERGIE DE COMMUTATION SOUS 30 BARS (3 Mpa) A EXEMPLES 1 et 3 Energie (mJ) 10-40 2-15 Courant maxi (A) 15-35 1,5-15 Délai (ps) 1-1,5 0,5-1,2 II. ENERGIE DE COMMUTATION EN PRESENCE D'UNE GOUTTE DE KEROSENE A EXEMPLES 1 et 3 Energie (mJ) 150-500 100-200 Courant maxi (A) 8-30 1-5 Délai (ps) 7-35 30-90 Cet essai est représentatif d'une bougie noyée. III VITESSE D'EROSION a) En essai goutte à goutte (carburant mal pulvérisé) A EXEMPLES 1 et 3 nombre d'étincelles pour 1 mm de profondeur d'usure 75 000 à 150 000 à 250 000 300 000 b) En essai sous une pression de 30 bars (3 MPa) 500C A EXEMPLES 1 et 3 nombre d'étincelles pour 2,5 mm de profondeur d'usure 300 000 à 400 000 à 400 000 600 080 Les résultats montrent que la tenue du maté- riau selon l'invention et les caractéristiques élec- triques de la décharge restent excellentes: - en température (jusqu'à environ 950BC) - en pression 30 bars (3 MPa), et - lorsque la bougie est en présence de car- burant mal pulvérisé. REVENDICATIONS 1. Composition en céramique semi-conductrice obtenue à partir (a) une composition de base compre- nant 40 à 80Z en poids d'un semi-conducteur qui est un carbure de silicium ou de bore, 5 à 407 en poids d'un liant ou d'un mélange de liants choisis parmi l'alu- mine, l'oxyde de béryllium, l'oxyde de zirconium, l'oxyde de magnésium, la silice et le nitrure de silicium, et 0 à 40X d'un fondant ou d'un mélange de fondants choisis parmi les carbonates et oxydes alcalino- terreux, les oxydes de terres rares et les silicates de métaux, caractérisée par l'addition de (b) 5 à 40Z en poids, par rapport à la composition de base (a) d'un dopant thermoémissif choisi parmi le titane, le titanate de baryum, le tungstène et le bo- rure de lanthane. 2. Composition de céramique selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que le liant est l'alu- mine. 3. Composition de céramique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le fon- dant comprend un silicate ou un mélange de silicates. 4. Composition de céramique selon la reven- dication 3, caractérisée en ce que les silicates com- prenant la bentonite, le kaolin et le talc. 5. Composition de céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le(s) fondant(s) représente(nt) 10 à 30X en poids de la composition de base (a). 6. Composition en céramique selon l'une quelconque des revendications t à 5, caractérisée en ce que le dopant thermoémissif est le titanate de ba- ryum. 7. Composition en céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le dopant thermoémissif est le borure de lan- thane (LaB). 8. Bougie d'allumage fabriquée à partir d'une composition en céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.