Brevet FR2686597A1 — publié le 19930730

i Procédé de fabrication d'un tube en verre, notamment en verre fluoré La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un tube en verre, notamment mais non exclusivement en verre fluoré, destiné par exemple à la réalisation d'une préforme cylindrique pour fibre optique. On sait que le traitement de certains verres, comme les verres fluorés, est très délicat et qu'en particulier tout contact physique avec un tel verre au cours de sa mise10 en forme introduit des impuretés et entraîne la formation de cristallites ou de microcristaux; tous ces défauts ont pour effet de nuire à sa qualité optique. Compte-tenu de ces difficultés, les techniques verrières classiques ne permettent pas d'obtenir par une seule opération un tube ayant simultanément les qualités suivantes: une qualité optique excellente, c'est-à-dire un tube homogène un état de surface parfait, des diamètres intérieur et extérieur très bien contrôlés (précision au moins égale à 50 gm), une longueur supérieure à 100 mm. On connaît par le brevet français FR-A 2649392 du 6 juillet 1989 une technique d'élaboration d'un barreau de verre fluoré utilisant le principe de confinement par film gazeux Mais jusqu'à présent cette technique n'a pas été appliquée à la réalisation d'un tube en raison des difficultés particulières dues à la forme beaucoup plus complexe.30 La présente invention a pour but d'adapter la technique d'élaboration avec confinement par film gazeux, en vue de la fabrication en tube, par exemple en verre fluoré. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un tube en verre, notamment mais non exclusivement en verre fluoré, caractérisé par le fait que l'on met en oeuvre une cavité tubulaire verticale tapissée de membranes poreuses coaxiales, dont les dimensions internes sont supérieures de quelques dizaines de microns à celles dudit tube, et dans laquelle est susceptible de coulisser un piédestal annulaire constituant un support pour 5 ledit tube, on prévoit sur ledit piédestal une souche originelle constituée dudit verre, on chauffe ladite souche jusqu'à la fusion et on injecte un gaz en permanence dans lesdites membranes poreuses pour maintenir entre elles et ladite souche en fusion une couche de gaz de quelques dizaines de microns d'épaisseur évitant ainsi tout contact, on alimente ladite souche par le haut de ladite cavité par une distribution continue d'une poudre des constituants dudit verre, on descend ledit piédestal au fur et à mesure de la formation dudit tube à partir de ladite souche. Selon un mode de réalisation avantageux ledit piédestal a lui-même la forme d'un corps cylindrique creux fermé à sa partie inférieure par un piston; ledit piédestal contient initialement une charge solide en verre destinée à former ladite souche; on extrait progressivement dudit piédestal ladite souche à l'état fondu en poussant ledit piston vers le haut.25 Ledit piédestal coulisse avantageusement dans ladite cavité avec une couche de gaz intermédiaire. De préférence, les pressions de gaz dans lesdites membranes poreuses sont régulées de manière à maintenir dans ladite cavité à l'état stationnaire une colonne de verre30 fondu stable et de hauteur constante. Pour simplifier le dispositif de mise en oeuvre, lesdites membranes ont même épaisseur et les pressions appliquées sur les faces interne et externe du tube en formation sont égales.35 La présente invention a également pour objet un tube réalisé par le procédé qui vient d'être défini; il présente suivant toute sa longueur des tolérances inférieures ou égales à 50 pm sur ses diamètres intérieur et extérieur. Ses propriétés mécaniques sont meilleures que celles des tubes élaborés antérieurement qui faisaient apparaître des 5 micro- fractures dues à des inclusions et à des contraintes thermiques provenant des contacts avec les parois du moule ou du creuset ayant servi à leur fabrication. En outre, la propreté chimique de la surface brute d'un tube selon l'invention permet d'envisager de très bonnes propriétés d'adhésion de revêtements, tels que des films minces protecteurs ou actifs; les techniques de dépôt peuvent être par exemple le dépôt par plasma ou par ablation laser. La qualité de la surface intérieure d'un tube selon l'invention permet d'envisager des applications intéressantes dans la fabrication directe de fibres optiques à coeur creux, par exemple pour la transmission de rayonnement à la longueur d'onde de 10,6 pm La qualité de la surface interne est en effet prépondérante pour ce type20 de fibre. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre illustratif mais nullement limitatif Dans le dessin annexé.25 Les figures 1 à 5 montrent très schématiquement un exemple de dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention dans ses différentes phases. La figure 6 montre la répartition de la température dans un tube en formation. On désire élaborer un tube de gaine pour préforme de fibre optique ayant la composition suivante: 53 Zr F 4 20 Ba F 2 4 La F 3 4 AJF 3 19 Na F (% mole). Sa longueur est de 10 cm, son diamètre intérieur de 15 mm et son diamètre extérieur de 30 mm.35 Dans les figures 1 à 5 apparaît schématiquement un dispositif comprenant une cavité tubulaire verticale 1, de révolution autour d'un axe 10 et tapissée sur une partie de sa hauteur par deux membranes poreuses coaxiales 2 et 3 réalisées en graphite dont la perméabilité de DARCY est 10-15 M 2 Ce matériau peut être obtenu avec un grand degré de pureté, et il est inerte vis-à-vis des composés fluorés, surtout s'il est recouvert d'une couche mince ( 0,1 pm par exemple) de pyrocarbone élaborée à haute température par exemple par pyrolyse de méthane Les membranes 2 et 3 ne sont donc pas dégradées malgré une ambiance très corrosive10 due à la présence des composés fluorés. Le diamètre intérieur de la membrane 2 est de 30,05 mm et le diamètre extérieur de la membrane 3 de 14,95 mm (avec une tolérance sur chaque diamètre de 0,01 mm De préférence les deux membranes ont même épaisseur égale à 2 mm.15 La partie inférieure de la cavité tubulaire 1 non recouverte des membranes présente les mêmes dimensions que ces membranes, avec les mêmes tolérances. Pour leur alimentation en flux gazeux, les membranes 2 et 3 sont associées à deux corps creux coaxiaux 12 et 13 avec des20 arrivées de gaz 14 et 15 sous des pressions respectives Pl et P 2. Des cartouches de chauffage 21, 22, 23 réglables en hauteur sont prévues à l'intérieur et à l'extérieur de la cavité tubulaire 1.25 Un piédestal annulaire 5, également de révolution autour de l'axe 10, est susceptible de coulisser dans la cavité 1 Il est formé d'un corps cylindrique creux 6 fermé à sa partie inférieure par un piston 7 Au début du procédé on y introduit à la température ambiante une charge 11 en verre solide ayant la composition du tube indiquée plus haut (voir figure 1). Des moyens non illustrés sont prévus pour pousser le piston 7 vers le haut, et l'ensemble du piédestal 5 vers le bas.35 Enfin, on a indiqué schématiquement par la référence des moyens pour distribuer en continu au niveau de la partie supérieure de la cavité tubulaire 1, une poudre des constituants du verre du tube à réaliser; un système de régulation du débit de poudre non illustré, bien connu de l'homme de l'art, peut être prévu. 5 L'ensemble du dispositif est installé avantageusement dans une enceinte étanche à l'atmosphère, dans laquelle est introduit un gaz neutre tel que l'argon ou l'hélium C'est ce même gaz qui sert au confinement du tube en formation; il est favorable pour l'affinage du verre et l'homogénéisation10 du verre lors de l'affinage. Le procédé selon l'invention se déroule de la manière suivante: Grâce aux résistances chauffantes 21 à 23, la charge en verre il est fondue à l'intérieur du piédestal 5 à une température de l'ordre de 650 @C à 700 OC; elle est référencée dans la figure 2. On pousse alors vers le haut le piston 7 dans le piédestal 5 de manière à réaliser à partir de la charge fondue 100 une souche 101 à la base du piédestal (voir20 figures 3 et 4). On ajuste les pressions Pl et P 2 à 0,1 bar au dessus de la pression atmosphérique pour réaliser une couche de gaz de quelques dizaines de microns d'épaisseur entre les membranes 2 et 3 et la souche 101; une couche de gaz est25 également maintenue entre ces membranes et la face externe du piédestal 5 La couche de gaz assure un confinement de la souche 101 et évite son contact avec la cavité 1. Simultanément, on alimente la souche 101 en poudre de constituants du verre, à partir des moyens de distribution 30 (voir figure 4). On descend le piédestal 5 (voir flèches 50), par exemple à la vitesse de 0,5 mm par minute. Après amorçage du processus, "l'état stationnaire" est illustré dans la figure 5 Le profil de température le long de la cavité tubulaire est schématisé dans la figure 6. Il apparaît une portion de tube solide 60 surmontée d'une colonne de verre fondu 61 L'interface 62 correspondant à la température de transition vitreuse Tg ( _ 270 C) du verre se situe sensiblement à la base 5 inférieure des membranes 2 et 3. Dans la colonne liquide 61, une zone très proche de la surface supérieure est portée à une température très élevée de l'ordre de 7500 C à 8000 C pour affiner le verre, éliminer toutes les microbulles qui auraient tendance à se former.10 Cette zone de chauffage est limitée à quelques millimètres pour assurer l'affinage sans risquer une décomposition trop importante de certains composés fluorés (voir figure 6). Le gradient de température dans le tube 60 solide est par exemple de 1000 C/cm Ce gradient peut être éventuellement maîtrisé par l'adjonction de systèmes de refroidissement non illustrés. un capteur de pression schématisé en 51 et situé au voisinage de l'interface 62 est destiné à permettre la régulation des deux pressions Pl et P 2 pour ajuster le champ20 de pression dans le film de gaz de sorte que la hauteur de la colonne de verre fondu 61 reste constante pendant tout le tirage. Bien entendu l'alimentation en continu en poudre par les moyens de distribution 30 est compatible avec la vitesse de défilement Un détecteur de position de la surface supérieure de la colonne de verre fondu 61 peut être utilisé à cette fin. Le déplacement vertical du tube peut être réalisé par des systèmes mécaniques de translation connus, tel que le système MFL 133 6 de la société HUNTINGTON L'ensemble des opérations peut être piloté par un micro-ordinateur permettant de contrôler les pressions, la vitesse de défilement du tube et d'effectuer la régulation du débit de poudre. 35 Le procédé selon l'invention permet de réaliser des tubes en verres spéciaux avec un diamètre intérieur compris entre 5 et 15 mm et une épaisseur comprise entre 15 mm et 7,5 mm. Le procédé selon l'invention n'est pas limité aux verres fluorés et on pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication d'un tube en verre, notamment mais non exclusivement en verre fluoré, caractérisé par le fait que 5 l'on met en oeuvre une cavité tubulaire verticale tapissée de membranes poreuses coaxiales, dont les dimensions internes sont supérieures de quelques dizaines de microns à celles dudit tube, et dans laquelle est susceptible de coulisser un piédestal annulaire constituant un support pour10 ledit tube, on prévoit sur ledit piédestal une souche originelle constituée dudit verre, on chauffe ladite souche jusqu'à la fusion et on injecte un gaz en permanence dans lesdites membranes poreuses pour maintenir entre elles et ladite souche en fusion une couche de gaz de quelques dizaines de microns d'épaisseur évitant ainsi tout contact, on alimente ladite souche par le haut de ladite cavité par une distribution continue d'une poudre des constituants dudit verre, on descend ledit piédestal au fur et à mesure de la formation dudit tube à partir de ladite souche. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit piédestal a lui-même la forme d'un corps cylindrique creux fermé à sa partie inférieure par un piston que ledit piédestal contient initialement une charge solide en verre destinée à former ladite souche que l'on extrait progressivement dudit piédestal ladite souche à l'état fondu en poussant ledit piston vers le haut. 3/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit piédestal coulisse dans ladite cavité avec une couche de gaz intermédiaire. 4/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les pressions de gaz dans lesdites membranes poreuses sont régulées de manière à maintenir dans ladite cavité à l'état stationnaire une L colonne de verre fondu stable et de hauteur constante. / Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdites membranes ont même épaisseur et que les pressions appliquées sur les faces interne et externe du tube en formation sont égales. 6/ Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit tube en formation est surmonté d'une colonne de verre fondu, l'interface à la température de transition vitreuse Tg étant située au niveau10 de la base desdites membranes coaxiales. 7/ Tube en verre, notamment mais non exclusivement en verre fluoré, obtenu par le procédé selon l'une des renvendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il présente suivant toute sa longueur, des tolérances15 inférieures ou égales à 50 pm sur ses diamètres intérieur et extérieur.