Brevet FR2719038A1 — publié le 19951027

l La présente invention concerne le domaine des pièces à base de silice. On sait que la silice présente des propriétés séduisantes en théorie, notamment de résistance thermique, puisque la silice est un mauvais conducteur de la chaleur, de non conduction de l'électricité, de très faible coefficient de dilatation, de pureté chimique, de résistance à la corrosion, de légèreté et de stabilité dimensionnelle. Toutefois, de nos jours, peu de produits à base de silice sont exploités industriellement. Ce désintérêt apparent semble dû en réalité à des difficultés de mise en oeuvre non résolues jusqu'ici. La présente invention a pour but d'améliorer la situation. Ce but est atteint selon l'invention grâce à un procédé qui consiste, après avoir réalisé une ébauche en aggloméré de fibres de silice, à déposer de la poudre de silice sur cette ébauche en veillant à confiner cette poudre sur l'ébauche et à soumettre l'ensemble ainsi obtenu à une température supérieure au point de fusion de la poudre, pour vitrifier au moins en surface la pièce obtenue. Comme on le précisera par la suite, la présente Invention concerne également les pièces obtenues par la mise en oeuvre de ce procédé. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels; - la figure 1 représente un organigramme général du procédé de préparation conforme à la présente invention, - la figure 2 représente schématiquement une variante de mise en oeuvre d'une étape de confinement de la poudre dans le cadre du procédé conforme à la présente invention, - la figure 3 représente une vue schématique en perspective d'un appareil de chauffage et d'éclairage conforme à la présente invention, et - la figure 4 représente une vue schématique en coupe transversale de l'appareil de chauffage et d'éclairage illustré sur la figure 3. On va tout d'abord décrire le procédé de préparation conforme à la présente invention en regard de la figure 1 annexée. Comme on l'a représenté sur la figure 1 annexée, le procédé conforme à la présente invention comprend quatre étapes essentielles: - une première étape 10 de formation d'un aggloméré de fibres de silice, - une seconde étape 12 de dépôt de poudre de silice sur l'aggloméré ainsi obtenu, - une troisième étape 14 de confinement de la poudre sur l'aggloméré et, - une quatrième étape 16 de vitrification, au moins de la couche superficielle de l'ensemble obtenu. Comme illustré sur la figure 1, le procédé conforme à la présente invention comprend de plus de préférence une étape ultime de recuit de l'ensemble ainsi obtenu, illustré sous la référence 18 sur la figure 1. La première étape 10 de formation d'un aggloméré de fibres de silice est connue des spécialistes. Cette étape 10 de formation de l'aggloméré des fibres de silice peut elle-même faire l'objet de diverses variantes. De préférence, cette étape 10 consiste à étirer un lingot ou baguette de silice ou opérer la fusion puis la projection d'un tel lingot ou baguette afin d'obtenir une nappe de laine de silice, puis couper ou briser cette nappe sous forme de brins ultérieurement confinée dans un volume après malaxage avec de l'eau déminéralisée et recuit afin d'obtenir par frittage l'aggloméré de fibres de silice recherché. De préférence, l'ébauche ainsi obtenue à la fin de l'étape 10, en aggloméré de fibres de silice, possède une densité de l'ordre de 0,2 à 1. Les spécialistes savent que de tels pièces en aggloméré de fibres de silice présentent une bonne tenue mécanique mais cependant une dureté non satisfaisante de sorte que ces pièces sont susceptibles d'être entamées mécaniquement, comme rayées, ébréchées, griffées, abrasées, érodées, etc... Les étapes ultérieures du procédé conforme à la présente invention ont pour but, en particulier, de renforcer la dureté en surface de ces pièces en aggloméré de fibres de silice. La seconde étape 12 du procédé conforme à la présente invention consiste à étaler une couche d'épaisseur contrôlée et de granulométrie contrôlée de poudre de silice, sur l'ébauche en aggloméré de fibres de silice précitée. La quantité de poudre de silice ainsi étalée tend à suivre une fonction inversement proportionnelle à la densité de l'aggloméré à traiter. Par ailleurs, la courbe ou la répartition de cette poudre varie depuis le titre de la fibre de l'aggloméré à celle d'une granulométrie égale ou inférieure à 50 Xm. Cette poudre peut être obtenue de diverses façons. De préférence, la poudre précitée est obtenue par auto- pulvérisation en surface de l'ébauche d'aggloméré de fibres de silice, par exemple en frottant cette ébauche contre une autre pièce d'aggloméré de fibres de silice. Cette variante permet de garantir l'obtention d'une poudre totalement exempte d'impureté. Selon d'autres variantes, la poudre de silice peut être obtenue à l'aide de pièces en aggloméré de fibres de silice indépendantes de l'ébauche traitée, et de qualité différente, telle qu'en teneur d'impuretés. Comme on l'a mentionné précédemment, il est important de veiller à confiner la poudre sur la surface traitée de l'ébauche en aggloméré de fibres de silice. Cette étape de confinement est référencée schématiquement 14 sur la figure 1. Cette étape de confinement 14 peut également faire l'objet de diverses variantes. Selon une première variante de mise en oeuvre, considérée actuellement comme préférentielle, cette étape de confinement 14 consiste à réaliser une suspension de la poudre de silice dans de l'eau déminéralisée à haute pureté, et à déverser la suspension ainsi obtenue sur la surface à traiter de l'rébauche en aggloméré de fibres de silice. Selon une autre variante après frottement de l'ébauche en aggloméré de fibres de silice, on peut humidifier la surface de celle-ci en l'état, en veillant à ne pas déranger la répartition des grains de poudre. De préférence, l'eau déminéralisée utilisée pour cette suspension présente une résistance comprise entre 1 Q et 100 MQ. Le dosage de la poudre dans cette suspension est défini en fonction du titre des fibres de silice et de la densité de l'aggloméré de fibres de silice utilisé, tel qu'il tend à suivre une fonction inverse du titre de la fibre et de la densité. Selon une seconde variante de mise en oeuvre conforme à l'invention, l'étape du confinement 14 peut être obtenue par mise en dépression du volume interne de l'ébauche en aggloméré de fibres de silice. Pour cela, on peut, comme cela est représenté sur la figure 2 pour une ébauche 20 en forme de plaque, et si l'on souhaite traiter les faces principales 22, 24 de celles-ci, placer des joints 30, 32 sur la périphérie des faces principales 22,24 précitées et mettre en dépression (comme schématisé sous la référence D sur la figure 2) les tranches 36 de ladite plaque 20. On comprend que la mise en dépression du volume interne de la plaque 20 permet de confiner la poudre, schématisée sous la référence 26 sur la figure 2, sur les faces 22, 24 de la plaque 20. Selon une troisième variante de mise en oeuvre, le confinement de la poudre lors de l'étape 20 peut être obtenu par centrifugation de l'ébauche traitée. Bien entendu, le confinement de la poudre à l'étape 14 peut être obtenu par combinaison des trois variantes de mise en oeuvre précitées, ou encore par utilisation de techniques équivalentes. L'étape consécutive de vitrification 16 est opérée en soumettant l'ébauche revêtue de poudre de silice à une température supérieure à la température de fusion de la silice qui varie de 1490 C à 1900 C selon les teneurs en impuretés de quelque ppm à plusieurs dizaines de ppm qui interviennent sur la viscosité qui évolue de manière logarithmique pour de faibles écarts de température. Cette température est avantageusement de l'ordre de 1 7000C à 1 800 *C pour des matériaux de bonnes qualités (teneur en impuretés de quelques ppm notamment pour AI, Ti, Fe, Na, Ca, K etc..). Elle peut cependant être supérieure pour des raisons de pénétration de l'épaisseur. A titre d'exemple non limitatif, on peut obtenir la vitrification d'une couche supérieure de l'ébauche en aggloméré de fibres de silice, présentant une épaisseur de 10 à 12 mm, en une heure de chauffage à 2 400 C. Le processus de vitrification 16 peut être obtenu à l'aide de tous moyens de chauffage approprié, tel que par exemple et de façon non limitative, des brûleurs à mélange interne ou externe, des chalumeaux, des plasmas d'arc, des plasmas inductifs, des résistors et suceptors, des fours de recuit à gaz ou électriques. L'expérience montre que l'amorce de fusion des plus petites particules de la poudre permet de combler les irrégularités du volume hétérogène de l'ébauche en aggloméré de fibres de silice, et entraîne la fusion des fibres composant cette ébauche en facilitant la conduction thermique au cours de l'étape de vitrification 16. L'état de surface obtenu après l'étape de vitrification 16 est uniforme et sensiblement plan, alors que, une étape de chauffage à fin de vitrification de la surface d'une ébauche d'aggloméré de fibres de silice, sans adjonction antérieure de poudre de silice, comme préconisé par la présente invention, conduit à un aspect de peau d'orange en surface de l'aggloméré, avec parfois des discontinuités de fusion et des effondrements. Comme on l'a indiqué précédemment et comme schématisé sur la figure 1 sous la référence 18, de préférence le procédé précité est complété par une étape de recuit de l'ébauche d'aggloméré de fibres de silice vitrifiée en surface. Cette étape 18 de recuit a pour but de libérer les contraintes internes résultant des processus thermiques appliqués antérieurement. De façon connue en soi, une telle étape de recuit est constituée d'un cycle d'élévation puis abaissement de température contrôlé. La vitrification ainsi obtenue dans le cadre de la présente invention permet d'accentuer les propriétés d'isolant thermique et d'opacité des agglomérés de fibres de silice. La fusion superficielle et la vitrification résultante de l'aggloméré de fibres de silice permet de consolider les comportements mécaniques de l'aggloméré à la compression, à la flexion, à la traction, à l'abrasion, à la dureté et permet également de renforcer l'étanchéité de cet aggloméré ainsi que sa résistance au choc. Les pièces d'aggloméré de fibres de silice ainsi vitrifiées en surface peuvent donner lieu à de nombreuses applications. On va tout d'abord décrire une application spécifique et non limitative à la réalisation d'un appareil de chauffage et / ou d'éclairage, en regard des figures 3 et 4 annexées. On a représenté sur ces figures 3 et 4 un appareil de chauffage et d'éclairage comprenant un tube extérieur 40 en silice tranparente, un réflecteur interne 42 formé d'une pièce en aggloméré de fibres de silice vitrifiée en surface selon le procédé décrit précédemment, un élément de chauffage 44 et deux éléments d'éclairage 46, 48. Le tube 40 de silice transparente peut être obtenu selon toutes techniques connues de l'homme de l'art. Un tel tube 40 est obtenu généralement par étirage d'un lingot de silice transparente creux. Plus précisément, un tel tube 40 peut être obtenu par chauffage et étirage d'un lingot creux obtenu par fusion dans un four de grains de silice. Un tel tube 40 peut encore être obtenu par fusion et étirage simultané d'un ensemble comprenant une gaine extérieure de silice et un tube central en silice pourvus dans leur intervalle de poudre de silice adéquate. L'homme de l'art sait que la silice fondue transparente composant le tube 40 présente une excellente perméabilité depuis les rayonnements courts jusqu'au moyen infra-rouge, en étant mauvaise conductrice de la chaleur et de l'électricité. D'une façon plus générale, on peut utiliser des profilés creux en silice transparente, pour réaliser l'appareil de chauffage et d'éclairage illustré sur les figures 3 et 4, ou encore pour d'autres applications, afin d'obtenir des enveloppes qui assurent la transmission du rayonnement, tout en assurant une protection mécanique de l'ensemble interne et notamment abriter cet ensemble interne de la corrosion. De préférence, le réflecteur 42 assure outre une fonction de réflexion, grâce à ses propriétés de surface, un rôle de support et de séparateur des différents éléments de chauffage et d'éclairage 44,46 et 48. Selon le mode de réalisation particulier et non limitatif donné sur les figures 3 et 4, le réflecteur 42 présente la forme générale, en section droite, d'une étoile à trois branches. Par ailleurs, ce réflecteur 42 est circonscrit dans une enveloppe circulaire de même diamètre que la surface interne du tube 40. Aini le réflecteur 42 divise le volume interne du tube 40 en trois chambres 50, 52, 54 qui logent respectivement l'élément chauffant 44 et les éléments d'éclairage 46, 48. L'élément de chauffage 44 peut être formé par exemple, d'un chauffage infra-rouge constitué d'un filament placé dans un tube de silice transparente ou opaque Ce tube peut être rempli de microbilles de silice, transparentes de préférence, permettant de maintenir les spires du filament, notamment lorsque l'appareil est utilisé en position verticale ou oblique. Ce tube peut également contenir un plus petit tube interne pour assurer l'isolement électrique du retour de la polarité. Les sources d'éclairage 46, 48 peuvent être formées par exemple et de façon non limitative de lampes halogènes. On notera à l'examen de la figure 3, la présence en extrémité de cet appareil de chauffage et d'éclairage de modules 60 qui logent les fonctions de connexion et de commande électrique. Un tel appareil de chauffage et d'éclairage peut être utilisé en toute position: horizontale, verticale, voir inclinée. Il peut être réalisé en diverses puissances électriques et présenter des longueurs et géométries variables. En variante, on peut réaliser un appareil assurant uniquement une fonction de chauffage grâce à l'élément 44 ou encore assurant uniquement une fonction d'éclairage grâce à au moins un élément d'éclairage 46, 48. Le cas échéant le réflecteur 42 peut également être placé à l'extérieur du tube 40. L'appareil représenté sur les figures 3 et 4 présente l'avantage d'une paroi extérieure froide. On peut compléter cet appareil en le chargeant de billes de silice entre les émetteurs de chauffage et de lumière 44, 46,48 et le tube extérieur 40. On peut équiper ces ensembles de motorisation pour assurer le déplacement oscillant ou continu des réflecteurs et la ventilation dans la double enveloppe. L'appareil ainsi équipé permet de couvrir le chauffage par rayonnement, convection et accumulation. La présente invention peut par ailleurs donner lieu à de nombreuses autres applications. Parmi celles-ci, on peut citer à titre d'exemples non limitatifs: - la réalisation de conteneurs ou récipients grâce aux propriétés d'étanchéité obtenues selon l'invention. On peut ainsi réaliser par exemple des réservoirs en aggloméré de fibres de silice vitrifiée en surface, conçu pour recevoir des microbilles poreuses de verre à forte teneur en silice, aptes à absorber de l'hydrogène. De tels récipients peuvent être utilisés notamment pour l'alimentation en hydrogène de moteur. D'une façon plus générale, cette application à la réalisation de conteneurs ou récipients, s'avère intéressante dès lors que l'application concerne une température importante et un milieu corrosif. - la réalisation de pièces présentant des canaux recevant des fils électriquement conducteurs, lesquels canaux sont obturés par la poudre de silice déposée à l'étape 12 et vitrifiée à l'étape 16 de l'invention. la réalisation de pièces à haut pouvoir réflecteur, par métallisation de la surface de l'ébauche en aggloméré de fibres de silice avant de procéder au dépôt de la poudre de silice et à la vitrification de celle- ci. - la réalisation de panneaux à microbilles présentant d'excellentes propriétés de réflexion, est intéressante notamment pour le confinement de chauffage. - la réalisation de plaques photo-sensibles à surface apparente réduite, par exemple pour la réalisation de cellules solaires, par imprégnation de silicium dopé polycristallin ou amorphe de l'aggloméré de fibres de silice afin de créer une superficie en relief accidenté ou tourmenté permettant ainsi de majorer la superficie du silicium exposé, et éventuellement métallisation locale, avant de procéder à la vitrification. - la réalisation d'écrans lumineux, de barrières thermiques et de réflecteurs. - la réalisation de chauffe eau dans le domaine de l'électrothermie combinée ou pas avec l'énergie solaire en chargeant l'appareil de billes qui augmentent le plan d'évaporation en facilitant la transmission. - la réalisation d'adoucisseur d'eau ou de distillateur dans le domaine de l'énergie solaire en chargeant l'appareil de billes pour faciliter la transmission et l'évaporation combinée ou pas avec chauffage par résistance et un système de désactivation ou de rinçage. - la réalisation de blocs en aggloméré de silice, assemblés avant vitrification, par soudage à l'aide de baguettes de silice fondue, ou encore de baguettes d'aggloméré. De tels blocs agglomérés assemblés peuvent permettre d'obtenir de grandes surfaces de silice. Par ailleurs, la liaison de blocs par soudure permet de renforcer la rigidité de la structure finale obtenue. - la réalisation de pièces en aggloméré de fibres de silice vitrifiée en surface, renforcées préalablement à l'aide de baguettes ou profilés intégrés en silice fondue. - la réalisation de cloisons, planchers, plafonds, baies vitrées ou double vitrages auto-chauffants par intégration dans l'épaisseur de ceux- ci, soit entre deux parois vitrées ou deux panneaux composant ceux-ci, ou encore dans un panneau de ceux-ci, d'éléments profilés de chauffage du type représenté sur les figures 3 et 4 par exemple. On peut en effet, intégrer entre deux parois vitrées de telles baies ou doubles vitrages, des éléments de chauffage profilés allongés comprenant un tube externe 40 en silice transparente qui loge un élément chauffant 44 et un réflecteur 42 en aggloméré de fibres de silice vitrifié en surface selon l'invention. De préférence, ces éléments chauffants sont supportés dans le volume interne des baies vitrées ou double vitrages à l'aide d'une masse de billes de silice qui évite l'application d'effort continu ou de choc sur le dit élément chauffant, susceptible de provoquer la rupture de celui-ci. - la réalisation de fours à double enveloppe, en plaçant entre ces deux enveloppes un panneau d'aggloméré de fibres de silice vitrifié en surface conformément à la présente invention, en encore en réalisant les deux enveloppes du four à l'aide d'un aggloméré de fibres de silice vitrifié en surface selon l'invention. Un tel four à double enveloppe présente une résistance mécanique nettement supérieure à celle des fours existants et permet de limiter ainsi les risques d'effondrement. - la réalisation de systèmes de chauffage par catalyse, par dépôt par exemple de platine sur une plaque de silice vitrifiée conformément à l'invention. La présente invention offre de nombreux avantages par rapport aux moyens connus antérieurement. Elle permet tout d'abord d'obtenir des plaques de toutes dimensions et de toutes formes, sans usinage mécanique, et par conséquent sans perte. La présente invention permet la réalisation de pièces de géométrie diverses, voir complexes, par exemple par découpe au laser ou assemblage de différentes pièces initialement séparées. La présente invention permet d'obtenir une peau fine, vitrifiée, d'épaisseur contrôlée par la température et le temps de chauffage au cours de l'étape de vitrification 16. La présente invention permet d'obtenir des produits, notamment de chauffage et d'éclairage, de forte puissance, en volume réduit. La présente invention permet d'obtenir à l'aide des mêmes produits de base, la silice, selon le traitement (dépôt de poudre et vitrification ou non), des éléments de propriétés très différentes (réflecteurs ou non, étanches ou non), mais de même coefficient de dilatation thermique. Il faut également souligner que les produits obtenus par la mise en oeuvre de l'invention offrent une grande souplesse d'adaptation et d'utilisation, une grande sécurité de fonctionnement, une insensibilité aux variations brusques de température, aux projections d'eau, aux atmosphères corrosives, une bonne tenue en température, un excellent isolement électrique, une grande inertie chimique, une faible inertie thermique. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'une pièce à base de silice, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes qui consistent, après avoir réalisé une ébauche (20) en aggloméré de fibres de silice, à déposer de la poudre (22) de silice sur cette ébauche (20) en veillant à confiner cette poudre (22) sur l'ébauche (20), et à soumettre l'ensemble (20,22) ainsi obtenu à une température supérieure au point de fusion de la poudre (22) pour vitrifier au moins en surface la pièce obtenue. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ébauche en aggloméré de fibres de silice (20), présente une densité de l'ordre de 0,2 à 1. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la quantité de poudre de silice (22) étalée sur l'ébauche (20) est inversement proportionnelle à la densité de l'ébauche (20). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la poudre de silice est obtenue par auto-pulvérisation de la surface de l'ébauche (20) en fibre de silice. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'étape de confinement (14) consiste à réaliser une suspension de poudre de silice dans de l'eau déminéralisée à haute pureté. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'étape de confinement (14) consiste à humidifier la surface de l'ébauche en aggloméré de silice (20), à l'aide d'eau déminéralisée à haute pureté, après frottement de cette surface pour fourmer de la poudre de silice. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'eau déminéralisée à haute pureté présente une résistance comprise entre 1 Q et 100 MQ. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'étape de confinement de la poudre (14) est obtenue par mise en dépression du volume interne de l'ébauche (20) en aggloméré de fibres de silice. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'étape (14) de confinement de la poudre est obtenue par centrifugation de l'ébauche (20) en aggloméré des fibres de silice. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que l'étape (14) de confinement est obtenue par une combinaison des processus conformes aux revendications 5 à 9. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que la température de chauffage au cours de l'étape (16) de vitrification est de l'ordre de 1 700'C à 1 800* C. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 1. caractérisé par le fait qu'il comprend en outre une étape (18) de recuit afin de libérer les contraintes internes de la pièce obtenue. 13. Procédé selon rune des revendications 1 à 12. caractérisé par le fait qu'il comprend en outre l'étape consistant à métalliser au moins localement la surface de l'ébauche en fibres de silice (20) avant de procéder au dépôt de la poudre de sillice (12) et à la vitrification (16). 14. Dispositif obtenu par la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait qu'il comprend un corps en aggloméré de fibres de silice (20). vitrifié au moins localement en surface par fusion de poudre de silice. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il constitue un appareil de chauffage et / ou d'éclairage. 16. Dispositif selon la revendication 15. caractérisé par le fait qu'il comprend un tube (40) externe en silice transparente qui loge un réflecteur (42) en aggloméré de fibres de silice vitrifié au moins localement par fusion de poudre de silice, et au moins, un élément chauffant (44) et / ou au moins un élément d'éclairage (46-48). 17. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il constitue un récipient étanche. 18. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un canal recevant un fil électriquement conducteur. 19. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il constitue une plaque photo-sensible comprenant une Imprégnation de silicium et / ou des métalisations locales, avant vitrification. 20. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il est formé de blocs en aggloméré de silice assemblés par soudure avant vitrification. 21. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il comprend des renforts intégrés constitués de baguettes ou profilés de silice fondue. 22. Dispositif selon la revendication 14. caractérisé par le fait qu'il comprend un élément de chauffage placé entre deux parois ou incorporé dans une paroi. 23. Dispositif selon la revendication 14. caractérisé par le fait qu'il constitue un four à double enveloppe. 24. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il constitue un chauffe eau. 25. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il constitue un adoucisseur d'eau / distillateur. 26. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il constitue un chauffage à catalyse.