Brevet FR2655643A1 — publié le 19910614

L'invention concerne un procédé pour réaliser un dépôt métallique sur un substrat massif à base de carbone, notam- ment pour la fabrication de miroirs de faible inertie, plus particulièrement pour les faisceaux lasers de puissance. On entend ici par substrat à base de carbone un substrat formé soit d'un matériau comprenant au moins 50 % en poids de carbone non combiné, soit d'un matériau composite formé d'une phase dispersée et d'une matrice comprenant au moins % en poids de carbone non combiné. L'invention vise la réalisation d'un dépôt métallique à la surface extérieure d'un substrat massif, c'est-à-dire d'un substrat formé d'un bloc unitaire, qu'il soit poreux ou non, à l'exclusion d'un dépôt à la surface des particules élémentaires d'un substrat divisé, ces particules ayant par exemple la forme de grains ou de fibres. La Demande de Brevet 2 552 554 décrit un procédé de fabrica- tion d'un miroir comprenant notamment le dépôt d'un métal (rhénium, rhodium, molybdène ou tungstène) sur un substrat de graphite, et la rectification du revêtement métallique pour obtenir une forme de surface souhaitée L'abrégé de cette Demande de Brevet indique qu'on sait déposer sur le graphite des couches parfaitement adhérentes de ces métaux. Cependant, selon l'expérience des auteurs de la présente invention, l'adhérence d'un métal quel qu'il soit sur le graphite est un problème très difficile, pour la résolution duquel le document considéré ne fournit aucun moyen Une excellente adhérence du revêtement est nécessaire d'une part pour permettre l'usinage mécanique de celui-ci sans arrachement, d'autre part pour que le miroir supporte les variations de température, et les gradients de température élevés dus à l'incidence de rayons de forte puissance, compte tenu de la différence entre le coefficient de dilata- tion thermique du carbone et ceux des métaux, qui est très importante même lorsqu'on choisit la qualité de graphite de façon à la limiter, comme proposé dans la Demande anté- rieure. Le but de l'invention est de fournir un procédé permettant d'obtenir un dépôt métallique présentant effectivement une forte adhérence vis-à-vis du substrat à base de carbone. A cet effet, dans le procédé selon l'invention, on réalise à la surface du substrat une couche superficielle d'un maté- riau contenant du carbone et/ou un carbure, adhérant forte- ment au substrat sous-jacent, ayant une surface spécifique élevée et présentant des pores ouverts d'une profondeur d'au moins 1 nm, et on dépose sur cette couche superficiel- le, en remplissant sensiblement lesdits pores, un matériau métallique ayant une forte affinité pour le carbone, compre- nant au moins un métal choisi parmi le cérium, le cobalt, le chrome, le fer, le hafnium, l'iridium, l'osmium, le palladium, le platine, le rhodium, le ruthénium, le lantha- ne, le manganèse, le molybdène, le nickel, le silicium, le tantale, le thorium, le titane, l'uranium et le tungstène. D'une façon générale, lorsqu'on indique dans le présent mémoire qu'un matériau ou une couche contient ou comprend un constituant, il faut entendre que ce constituant est présent en une quantité appréciable, voire même majoritaire, pouvant éventuellement représenter la totalité ou la quasi- totalité du matériau ou de la couche considéré. La couche superficielle peut faire partie du substrat, ses pores ouverts étant obtenus par enlèvement sélectif de matière à partir du substrat Dans ce cas l'adhérence de la couche superficielle au substrat sous- jacent, c'est-à-dire à la partie du substrat autre que la couche superficielle, est due à la continuité de structure entre ces deux éléments. La couche superficielle peut aussi être rapportée et formée par un prédépôt poreux d'un matériau contenant du carbone et/ou un carbure Dans ce cas son adhérence vis-à-vis du substrat sous-jacent, c'est-à-dire du substrat tout simple- ment, est due à la similitude de nature chimique entre le carbone du substrat et le carbone de la couche superficiel- le, ou à l'affinité chimique entre le carbone du substrat et le carbure de la couche superficielle Cette adhérence est particulièrement élevée lorsque la couche superficielle est obtenue par pyrolyse, notamment à partir de composés organiques ou organométalliques, ou de silanes. Le dépôt métallique proprement dit présente également une forte affinité pour le carbone, liée à l'existence d'au moins un composé binaire entre chacun des métaux choisis et le carbone Mais cette propriété ne conduirait pas à une adhérence suffisante du revêtement métallique vis-à- vis du substrat, et ne conduit pas non plus à elle seule à une adhérence suffisante vis-à-vis de la couche superficielle. C'est pourquoi il est nécessaire que cette dernière présente une surface spécifique élevée avec des pores ouverts d'une profondeur d'au moins 1 nm, et que le dépôt métallique remplisse sensiblement ces pores, ce qui accroit la surface de contact entre le dépôt métallique et la couche superfi- cielle et provoque un accrochage mécanique mutuel. L'épaisseur de la couche superficielle et la profondeur de ses pores ouverts sont de préférence comprises entre 1 nm et 100 Hm, et plus particulièrement entre 10 nm et l M. Le dépôt métallique peut quant à lui être obtenu par une méthode quelconque, pour autant qu'elle permette une bonne pénétration du dépôt dans les pores de la couche superfi- cielle On peut procéder par exemple à un dépôt par voie électrolytique, après imprégnation des pores par le bain électrolytique, ou à un dépôt par voie chimique autocata- lytique, ou encore à un dépôt électrophorétique ou par cémentation à basse pression. Bien entendu le revêtement métallique peut être formé d'au moins deux couches de matériaux différents et/ou obtenues par des modes de dépôts différents, par exemple de deux couches dont la première est réalisée dans des conditions favorisant un bon remplissage des pores, et dont la seconde est réalisée dans des conditions propres à permettre d'obte- nir rapidement l'épaisseur de revêtement souhaitée, et/ou à fournir les propriétés souhaitables pour l'usinage ulté- rieur et l'utilisation finale de la pièce revêtue. Le nickel et le cobalt sont les métaux les plus courants convenant pour ce dépôt, et peuvent être utilisés, séparé- ment ou ensemble, pour former au moins l'essentiel de celui-ci. Le carbone constitutif du substrat peut être par exemple à l'état de graphite ou à l'état vitreux ou amorphe Toutes les formes intermédiaires partiellement graphitées et par- tiellement amorphes sont possibles, y compris les brais de houille ou de pétrole plus ou moins graphitisés Dans le cas o le substrat est en matériau composite, sa phase dispersée peut être fibreuse ou granulaire, et peut être elle-même, ou non, à base de carbone. Le procédé selon l'invention prévoit également l'usinage du revêtement métallique pour obtenir une pièce ayant une forme et un état de surface souhaités, cet usinage compre- nant le cas échéant un polissage à la qualité optique. L'invention vise également une pièce à base de carbone munie d'un revêtement métallique, obtenu par le procédé défini ci-dessus, et notamment un miroir poli à la qualité optique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description ci-après de quelques exemples de réalisation, et des dessins annexés dans lesquels: les figures la, lb et lc représentent schématiquement, respectivement, deux phases successives d'un processus de dépôt électrolytique utilisable dans le procédé selon l'invention, et le produit résultant; les figures 2 a, 2 b et 2 c illustrent schématiquement, respectivement, deux phases d'un procédé modifié non confor- me à l'invention, et le produit résultant également non conforme à l'invention. EXEMPLE 1 On part d'un parallélépipède de graphite préalablement rectifié de dimensions approximatives 40 x 20 x 15 mm 3. On effectue un pré-dépôt de carbone par décomposition ther- mique de composés organiques riches en carbone Plus préci- sément, on utilise un mélange contenant 45 % en poids de cyclohexane et 55 % en poids de xylène Il s'agit d'un mélan- ge azéotrope dont le point d'ébullition est d'environ 750 C, à la pression atmosphérique, ce qui permet de saturer faci- lement un gaz tracteur tel que l'argon. On place le substrat dans une enceinte balayée par un courant d'argon (pour éviter la présence d'oxygène) et on le porte à la température de 6000 C On remplace alors l'argon sec par de l'argon saturé par le mélange azéotropi- que cyclohexane-xylène Le balayage est réglé, de façon connue en soi, pour que la vitesse du gaz soit à peu près nulle dans la direction de l'écoulement, et que celui-ci soit par conséquent de type laminaire, au niveau du substrat. On obtient ainsi un dépôt de carbone du type dit laminaire rugueux. Cette couche superficielle, ou couche d'adaptation, de couleur noire sombre, a une épaisseur d'environ 1 pm Sa structure est colonnaire etporeuse, c'est-à-dire qu'elle est formée de colonnes séparées par des pores ouverts s'étendant sur toute son épaisseur. Le substrat ainsi recouvert est introduit sans courant dans un bain de dépôt électrolytique de nickel ayant la composi- tion suivante: sulfamate de nickel 350 g/1 chlorure de nickel 3,4 g/1 acide borique 30 g/l. Ce bain contient, en plus des constituants principaux ci- dessus, des agents mouillants et éventuellement des brillan- teurs Sa température de fonctionnement est de 450 C, la densité de courant applicable étant de 3 A/dm 2. Après une demi-heure d'immersion, grâce à la présence du mouillant, les pores de la couche superficielle ou couche d'adaptation sont pratiquement entièrement imprégnés d'élec- trolyte On met alors la pièce sous courant et du nickel commence de se déposer sur toute la surface de la couche d'adaptation mouillée d'électrolyte, y compris la surface des pores Le dépôt de nickel remplit ces derniers et est poursuivi jusqu'à une épaisseur de 250 Um. On rectifie le dépôt par passes successives de 0,02 mm jusqu'à obtention d'une surface homogène sur toute la face traitée Puis on polit le dépôt, aucun décollement de la couche métallique n'étant observé. La figure la montre schématiquement le substrat 1 et une anode 2 immergés dans l'électrolyte 3 depuis un certain temps, et non encore polarisés Des ions nickel 4 sont présents sur toute la surface de la couche superficielle, y compris celle des pores 5. A la figure lb, le substrat 1 et l'anode 2 sont reliés à une source de courant 6 Les ions 4 sont réduits au contact du substrat tandis que d'autres ions nickel 7, provenant de la masse du bain, pénètrent à leur tour dans les pores 5 pour être ultérieurement réduits On obtient en fin d'opéra- tion, comme montré à la figure lc, un revêtement de nickel 8 recouvrant la surface du substrat 1 et solidement ancré à celui-ci par pénétration dans les pores 5 de la couche superficielle. Si on avait, comme montré à la figure 2 a, polarisé le subs- trat 1 et l'anode 2 au moyen de la source de courant 6 avant de les immerger dans le bain 3 (figure 2 b) les ions nic- kel 4 ' se seraient réduits à l'entrée des pores 5 sans péné- trer dans ceux-ci, et on aurait obtenu un dépôt 8 ' (f igu- re 2 c) non ancré dans les pores 5 et n'adhérant pas suffi- samment au substrat 1. EXEMPLE 2 Le substrat de départ est semblable à celui de l'exemple 1. La couche superficielle est réalisée par oxydation ménagée, selon le mode opératoire suivant: on introduit le substrat dans un four tubulaire préala- blement chauffé à 700 'C; après avoir obturé les deux extrémités du tube laboratoi- re, on attend environ 10 minutes, correspondant à la consom- mation totale de l'oxygène présent; on refroidit le four, et on en sort l'échantillon lorsque sa température est inférieure à 400 'C. Ce traitement conduit à une oxydation sélective des sites les plus actifs du graphite, qui rend la surface de l'échan- tillon poreuse. Le dépôt de nickel et l'usinage sont ensuite effectués comme dans l'exemple 1. EXEMPLE 3 On utilise un substrat cylindrique ayant approximativement un diamètre de 40 mm et une épaisseur de 8 mm, préalablement rectifié sur ses deux grandes faces, en un matériau compo- site commercialisé sous la référence AEROLOR 30, formé de fibres de carbone tissées dans trois directions orthogonales et d'une matrice de carbone. On effectue un pré-dépôt, un dépôt métallique et un usinage comme décrit dans l'exemple 1, l'épaisseur du dépôt de nickel n'étant toutefois que de 200 pm. EXEMPLE 4 On opère comme dans l'exemple 3, en remplaçant le pré-dépôt de carbone pyrolytique décrit dans cet exemple par un dépôt chimique en phase vapeur à basse pression commercialisé par la Société LE CARBONE LORRAINE sous la dénomination "Carbone pyrolytique mince 5/146 ". L'épaisseur du dépôt de nickel est de 250 um. EXEMPLE 5 On opère comme dans l'exemple 4, le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression étant celui commercialisé par la Société LE CARBONE LORRAINE sous la dénomination "Carbone pyrolytique épais 5/145 ". EXEMPLE 6 On utilise un substrat cylindrique de diamètre 40 mm et d'épaisseur 7 mm, en un matériau composite commercialisé sous la référence AEROLOR 20, formé de fibres de carbone orientées dans deux directions et d'une matrice de carbone. Ce substrat est traité comme décrit dans l'exemple 5. EXEMPLE 8 On utilise un substrat cylindrique de diamètre 40 mm et d'épaisseur 10 mm, en un matériau composite commercialisé sous la référence AEROLOR 00, formé de fibres courtes de carbone dispersées de façon isotrope dans une matrice de carbone. Ce substrat est traité comme décrit dans l'exemple 4. EXEMPLE 9 Dans cet exemple, on soumet un substrat semblable à celui de l'exemple 8 au traitement décrit dans l'exemple 5. EXEMPLE 10 Le substrat et le pré-dépôt sont les mêmes que dans l'exemple 8. On immerge alors l'échantillon pendant 10 minutes dans une solution d'hydrazine 2,06 M (soit 100 ml/l d'hydrate d'hydrazine), contenant 10 ml/l de mouillant On plonge ensuite l'échantillon dans un bain de nickel chimique auto- catalytique ultra-pur tel que décrit dans le Brevet fran- çais 2 590 595 Le dépôt commence dès que la température de fonctionnement de 90 20 C est atteinte On obtient un dépôt de nickel chimique ultrapur de 50 lim d'épaisseur dont la surface libre est strictement parallèle à la surface initiale, la croissance du dépôt de nickel chimique auto- catalytique étant strictement perpendiculaire à la surface du substrat. Après polissage, on ne constate aucun décollement du dépôt. EXEMPLE 11 Cet exemple diffère de l'exemple 10 uniquement par le pré- dépôt de carbone, réalisé comme dans l'exemple 5. EXEMPLE 12 On part d'un substrat de même nature que dans les exemples 8 à 11, sous forme d'un disque de diamètre 40 mm et d'épais- seur 8 mm. Le traitement diffère de celui de l'exemple 10 en ce que le pré-dépôt de carbone est remplacé par un pré-dépôt de carbure de silicium. Pour ce faire on introduit l'échantillon dans une enceinte o règne une dépression (pression comprise entre 33 et 133 Pa) On le chauffe à une température comprise entre 1100 et 11500 C, puis on injecte dans l'enceinte du tétramé- thylsilane à l'état de vapeur, qui se pyrolyse pour donner du carbure de silicium. En une demi-heure on obtient un dépôt de couleur noire dont l'épaisseur n'excède pas 3 pim Les conditions opératoires sont choisies de façon connue en soi pour obtenir une mor- phologie de dépôt à croissance colonnaire à grains fins, dont les colonnes de croissance ne sont pas liées entre elles, de telle sorte que le dépôt présente une forte poro- sité de surface. EXEMPLE 13 On procède comme dans l'exemple 12, jusqu'au dépôt de nickel chimique dont l'épaisseur est limitée à 25 pm. On réalise ensuite un dépôt de nickel électrolytique de 250 pm d'épaisseur, puis une rectification et un polissage comme décrit dans l'exemple 1. Le dépôt intermédiaire de nickel chimique permet de réaliser ensuite le dépôt de nickel électrolytique, malgré l'absence de conductibilité électrique du pré-dépôt de carbure de silicium. Cet exemple illustre la possibilité de réaliser au moins deux couches successives de métal par des techniques diffé- rentes De la même façon il est possible de déposer succes- sivement des couches de métaux différents. Dans tous les exemples précédents, la rectification éven- tuelle et le polissage n'ont provoqué aucun décollement du dépôt, ce qui montre son excellente adhérence au substrat. EXEMPLE 14 Le substrat et le traitement de pré-dépôt sont les mêmes que dans l'exemple 8. On réalise ensuite un dépôt électrolytique de cobalt à l'aide d'un bain de composition suivante: sulfate de cobalt heptahydraté 337 g/1 chlorure de cobalt hexahydraté 50 g/1 acide borique 37 g/1 p H 3 à 4. Ce bain contient, en plus des constituants principaux ci- dessus, des agents mouillants et éventuellement des brillan- teurs Sa température de fonctionnement est de 500 C, la densité de courant applicable étant 3 A/dm 2. La mise sous tension est effectuée après une demi-heure d'imprégnation comme décrit dans l'exemple 1. Le traitement est poursuivi jusqu'à obtention d'un dépôt de cobalt de 100 m d'épaisseur, parfaitement adhérent. EXEMPLE 15 On procède comme dans l'exemple 4, les opérations d'usinage se terminant par un polissage poussé jusqu'à la qualité optique On obtient un miroir ne présentant qu'une frange en lumière polychromatique visible, ce qui indique que l'épaisseur de ses irrégularités de surface ne dépasse pas 0,1 1 m. Cette caractéristique est maintenue après une dizaine de cycles de chauffage à 1600 C et de refroidissement rapide. Un miroir identique a été examiné par des techniques inter- férométriques laser Le chauffage était assuré par un jet d'air à température régulée en face arrière A 80 'C ce miroir ne présentait que deux franges. Un autre miroir a été, en outre, examiné par des techniques d'interférométrie laser en assurant le chauffage au moyen d'un laser à C 02, la puissance absorbée par le miroir étant de 10 w/cm 2 Après plusieurs dizaines d'illuminations d'une durée de 5 secondes le miroir ne présentait qu'une seule frange dans le visible. A titre de comparaison, on a essayé de réaliser un miroir dans les mêmes conditions, mais en supprimant la couche d'adaptation de carbone pyrolytique Le revêtement de nickel s'est décollé au cours du polissage. Revendications 1 Procédé pour réaliser un dépôt métallique à la surface extérieure d'un substrat massif à base de carbone, caracté- risé en ce qu'on réalise à la surface du substrat une couche superficielle d'un matériau contenant du carbone et/ou un carbure, adhérant fortement au substrat sous-jacent, ayant une surface spécifique élevée et présentant des pores ouverts d'une profondeur d'au moins 1 nm, et qu'on dépose sur cette couche superficielle, en remplissant sensiblement lesdits pores, un matériau métallique ayant une forte affi- nité pour le carbone, comprenant au moins un métal choisi parmi le cérium, le cobalt, le chrome, le fer, le hafnium, l'iridium, l'osmium, le palladium, le platine, le rhodium, le ruthénium, le lanthane, le manganèse, le molybdène, le nickel, le silicium, le tantale, le thorium, le titane, l'uranium et le tungstène. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche superficielle et la profondeur de ses pores ouverts sont comprises entre 1 nm et 100 Um. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche superficielle et la profondeur de ses pores ouverts sont comprises entre 10 nm et 10 gm. 4 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de la couche superficielle est identique à celui du substrat sous-jacent, les pores ouverts de la couche superficielle étant obtenus par enlève- ment sélectif de matière à partir du substrat. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enlèvement de matière est réalisé par oxydation ménagée du substrat. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche superficielle est formée par un pré- dépôt poreux d'un matériau contenant du carbone et/ou un carbure. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche superficielle comprend du carbone pyrolytyque. 8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche superficielle comprend du carbure de silicium obtenu par pyrolyse d'un silane. 9 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt métallique est effectué par voie électrolytique, après imprégnation des pores de la couche superficielle par le bain électrolytique. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caracté- risé en ce que le dépôt métallique est effectué par voie chimique autocatalytique. 11 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt métallique est formé essen- tiellement de nickel et/ou de cobalt. 12 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat comprend au moins 50 % en poids de carbone non combiné. 13 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est en un matériau compo- site formé d'une phase dispersée et d'une matrice comprenant au moins 50 % en poids de carbone non combiné. 14 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la carbone du substrat est au moins partiellement amorphe. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carbone du substrat est au moins partiellement sous forme de graphite. 16 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on usine le revêtement métallique pour obtenir une pièce ayant une forme et un état de surface souhaités. 17 Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'on polit le revêtement métallique à la qualité optique. 18 Pièce à base de carbone munie d'un revêtement métalli- que, obtenue par le procédé selon l'une des revendications précédentes. 19 Miroir obtenu par le procédé selon la revendication 17. Pièce comprenant un substrat massif à base de carbone présentant à sa surface extérieure une couche superficielle d'un matériau contenant du carbone et/ou un carbure, adhé- rant fortement au substrat sous-jacent, ayant une surface spécifique élevée et présentant des pores ouverts d'une profondeur d'au moins 1 nm, et un revêtement recouvrant la couche superficielle et remplissant sensiblement lesdits pores, en un matériau métallique ayant une forte affinité pour le carbone, comprenant au moins un métal choisi parmi le cérium, le cobalt, le chrome, le fer, le hafnium, l'iri- dium, l'osmium, le palladium, le platine, le rhodium, le ruthénium, le lanthane, le manganèse, le molybdène, le nickel, le silicium, le tantale, le thorium, le titane, l'uranium et le tungstène. 21 Miroir selon la revendication 20, dont la surface réflé- chissante est formée par la surface libre dudit revêtement métallique. 22 Application du miroir selon l'une des revendications 19 et 21 aux systèmes lasers de puissance-