Brevet FR2743799A1 — publié le 19970725

La présente invention concerne une poudre d'oxyde des terres rares, un procédé pour la préparer et son utilisation. Les oxydes des terres rares finement divisés jouent un rôle important dans de nombreuses applications de haute technologie actuelles. Cest ainsi par exemple que l'on utilise l'oxyde d'yttrium pour la fabrication de supraconducteurs céramiques à haute température du type Y- Ba-Cu-O, comme additif dans les alliages métalliques durcis par dispersion d'oxyde et comme additif de frittage pour la fabrication de céramiques à densité maximale à hautes performances telles que les céramiques de nitrure de silicium, de nitrure d'aluminium ou de dioxyde de zirconium. Dans la mise en oeuvre des poudres pour céramiques oxydes et non- oxydes pour former des pièces, on utilise très souvent le coulage en barbotine comme procédé de formage pour obtenir des pièces présentant des géométries compliquées. Pour ce faire, on introduit une dispersion aqueuse de la poudre pour céramique dans un moule en plâtre de la pièce céramique qui constitue un négatif. Au cours du temps, le moule en plâtre absorbe une quantité d'eau déterminée qui provient de la dispersion. Par suite de l'effet de filtration qui apparaît, les particules de poudre pour céramique forment au niveau de la paroi du moule en plâtre ce que l'on appelle un dépôt céramique. Lorsque ce dépôt céramique a atteint une épais- seur déterminée qui correspond à l'épaisseur de paroi de la pièce avant le retrait de frittage céramique, on retire du moule en plâtre la dispersion restante. L'ébauche crue ainsi formée peut être retirée du moule au bout d'une courte durée de séchage pour être ensuite soumise à un frittage à densité maximale par cuisson. Dans le cas de nombreux matériaux céramiques non-oxydes ou oxydes, comme le nitrure de silicium, le nitrure d'aluminium ou le dioxyde de zir- conium par exemple, on ajoute à la matrice de poudre pour céramique proprement dite un mélange d'autres poudres constituant un additif favorisant le frittage, comme par exemple un mélange Y203/A1203 pour le frittage d'une céramique de Si3N4 ou une poudre de Y203 pour le frittage d'une céramique de AIN, ou consti- tuant un stabilisant pour des phases cristallographiques déterminées, comme le dioxyde de zirconium stabilisé par CeO2 ou Y203 par exemple. Dans la mise en oeuvre de tels mélanges de substances dans le procédé de coulage en barbotine, il est particulièrement important de produire une barbo- tine à plusieurs constituants stable, très fine et dispersée de manière homogène pour obtenir un dépôt céramique le plus homogène possible et pour éviter les accumulations d'additifs de frittage qui diminuent la qualité ou les sites déficients en additifs qui peuvent être des facteurs de rupture ou de retard de frittage incon- trôlé. Ceci signifie que les constituants pulvérulents d'une barbotine à plusieurs constituants qui sont pris en considération doivent posséder des propriétés de dispersion analogues ou, dans le cas idéal, identiques. L'allure de la mobilité électrocinétique en fonction du pH de la dispersion est une propriété très importante des poudres qui doivent être mises sous forme d'une dispersion (R. J. Hunter, "Zeta Potential in Colloid Science - Principles and Applications", Academic Press, 1981). L'allure de la courbe de mobilité électrocinétique fournit des indications concernant le pH auquel une floculation apparaît, c'est-à-dire le point isoélectrique, et concernant l'apparition de charges positives ou négatives des particules. La connaissance d'une telle courbe de mobilité électrocinétique et la connaissance de la position du point iso- électrique sont importantes en particulier pour la préparation de barbotines aqueuses à partir de constituants pulvérulents de différents types. Pour éviter une floculation spontanée lors de la combinaison de particules ayant des charges diffé- rentes et pour obtenir des barbotines présentant une stabilité de dispersion à long terme suffisante, on établit donc un état de défloculation le plus parfait possible par un décalage de pH approprié, en opérant à distance suffisante du point isoélec- trique et en outre en établissant un état de charges de même type pour les particules du système de particules pulvérulentes à plusieurs constituants. Dans la fabrication de barbotines aqueuses de nitrure de silicium contenant Y203 qui sont utilisées très fréquemment pour la fabrication de pièces céramiques industrielles en nitrure de silicium par coulage en barbotine, on est donc confronté au problème que les poudres de Si3N4 du commerce ont leur point isoélectrique dans le domaine fortement acide tandis que les poudres de Y203 du commerce ont leur point isoélectrique dans le domaine fortement basique. Du fait que l'allure des courbes de mobilité électrocinétique correspondantes est différente, on est contraint d'établir un état de charges de même type pour les particules en déplaçant le pH dans un domaine basique d'environ pH 10 à 12 pour obtenir une suspension à plusieurs constituants stabilisée et défloculée de manière uniforme. Toutefois, ces pH élevés entraînent une dissolution progressive de l'oxyde ampho- tère A1203 (que l'on utilise comme additif de frittage en règle générale en mélange avec Y203), ce qui a pour conséquence un enrichissement de la dispersion en ions métalliques trivalents qui favorisent la floculation, et également une corrosion accentuée des moules en plâtre dont la durée de vie est fortement réduite du fait de l'utilisation de telles barbotines basiques. Par ailleurs, la composition chimique de la barbotine à plusieurs constituants peut être modifiée de manière indésirable par suite de la dissolution progressive des oxydes amphotères qui sont ajoutés comme additifs de frittage. Un écart dans le domaine neutre n'est pas judicieux car il en résulte une fioculation incontrôlée du fait que les charges des particules sont différentes. En outre, dans le domaine des pH faiblement acides, les particules de Y203 finement divisées subissent une dissolution accentuée par attaque chimique. La présente invention a donc pour but de proposer une poudre d'oxyde des terres rares qui ne présente pas les inconvénients de l'état de la technique qui viennent d'être évoqués. Ceci est obtenu selon l'invention grâce à une poudre d'oxyde des terres rares qui présente en dispersion aqueuse un point isoélectrique inférieur à pH 9. La détermination du point isoélectrique est accomplie à 25C avec un électrolyte constitué par KNO3 0,001 M. De préférence, la poudre d'oxyde des terres rares selon l'invention présente une teneur en SiO2 de 0,1 à 7 % en masse, de préférence encore de 0,5 à % en masse. L'oxyde d'yttrium est un oxyde des terres rares que l'on préfère particulièrement dans le cadre de la présente invention. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de la poudre d'oxyde des terres rares selon l'invention. Ce procédé est caractérisé en ce que SiO2 est déposé sur une poudre d'oxyde des terres rares qui est en dispersion aqueuse et/ou alcoolique par hydrolyse d'esters de l'acide silicique et/ou d'autres composants du silicium hydrolysables, à partir de sol de silice et/ou de solutions contenant du verre soluble. Les éventuels restes organiques résiduels, qui appa- raissent par exemple dans le cas de l'utilisation d'esters organiques de l'acide sili- cique, peuvent être éliminés avantageusement par un processus de calcination subséquent, après isolement de la poudre d'oxyde des terres rares traitée. Le fait de réaliser le dépôt de SiO2 dans une dispersion aqueuse et/ou alcoolique de la poudre d'oxyde des terres rares tout en déplaçant le pH du domaine basique au domaine neutre à faiblement acide s'est révélé particulièrement favorable. La présente invention concerne en outre l'utilisation de la poudre d'oxyde des terres rares selon l'invention pour la fabrication de matériaux et pièces céramiques. L'invention va maintenant être illustrée de manière plus précise au moyen des exemples non limitatifs suivants dans lesquels on utilise toujours Y203 comme poudre d'oxyde des terres rares bien qu'il soit tout aussi avantageux d'uti- liser d'autres poudres d'oxyde des terres rares très analogues à Y203 ou des mélanges de poudres d'oxyde des terres rares. Exemples Exemple 1 Au moyen d'un appareil de dissolution, on disperse 250 g de poudre dc Y203 dans 850 ml d'eau désionisée en agitant énergiquement puis on ajuste le pH de la dispersion à 10 avec de l'ammoniaque. A la dispersion, on ajoute goutte à goutte en 90 min, sous agitation énergique, 25 ml de sol de silice (teneur en SiO2 30 % en masse) dont on a ajusté le pH à 10 également. Après la fin de l'addition du sol de silice, on agite tout d'abord énergiquement pendant 30 min. Puis on abaisse le pH à 7,5 en ajoutant goutte à goutte de l'acide chlorhydrique à 20 % en 30 min et on agite pendant 60 min supplémentaires. Enfin on filtre, on débarrasse le gâteau de filtration des ions NH4+ par lavage avec de l'eau désionisée et on le sèche à 120C pendant 5 h. La poudre de Y203 ainsi obtenue contient 3 % en masse de SiO2. Son point isoélectrique est de 5,9, tandis que celui de la poudre de Y203 que l'on a utilisée comme matière première est de 9,7. Exemple 2 On disperse 250 g de poudre de Y203 dans 850 ml d'eau de la manière décrite dans l'exemple 1. On ajuste à 11 le pH de la dispersion avec de l'ammo- niaque. A la dispersion, on ajoute goutte à goutte en 180 min et sous agitation vigoureuse une solution d'orthosilicate de tétraéthyle à 50 % en volume dans l'éthanol puis on continue à agiter pendant 120 min. Ensuite, on abaisse le pH à 7 en 60 min en ajoutant goutte à goutte de l'acide chlorhydrique à 20 % et enfin on continue à agiter pendant 60 min. Après avoir filtré, on débarrasse le gâteau de filtration des ions NH4+ par lavage et on le sèche à 150C pendant 5 h. La poudre de Y203 ainsi obtenue contient 2,8 % en masse de SiO2. Son point isoélectrique est de 5,5 tandis que le point isoélectrique de la poudre de Y203 non traitée que l'on a utilisée comme matière première est de 9,7. ExemDle 3 On disperse 250 g de poudre de Y203 dans 850 ml d'eau de la manière décrite dans l'exemple 1 et on ajuste à 10 le pH de la dispersion avec de l'ammo- niaque. Puis, en 90 min, on ajoute goutte à goutte 44 ml d'une solution aqueuse de silicate de sodium (12,2 % en masse de SiO2) en agitant énergiquement. Après la fin de l'addition goutte à goutte on agite pendant 30 min. Puis, on fait passer de 10 à 7,5 le pH en ajoutant goutte à goutte de l'acide sulfurique à 20 % en 30 min et on agite pendant 60 min supplémentaires. Apres la filtration, on débarrasse le gâteau de filtration des ions sodium par lavage puis on le sèche à 120 C pendant 5 h. La poudre de Y203 ainsi obtenue contient 3,4 % en masse de SiO2. Son point isoélectrique est situé à pH 3,7 tandis que le point isoélectriquc de la poudre de Y203 que l'on a utilisée comme matière première est situé à pH 9,7. REVENDICATIONS 1. Poudre d'oxyde des terres rares caractérisée en ce qu'elle présente en dispersion aqueuse un point isoélectrique inférieur à pH 9. 2. Poudre d'oxyde des terres rares selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle présente une teneur en SiO2 de 0,1 à 7 % en masse, de préférence de 0,5 à 5 % en masse. 3. Procédé de préparation d'une poudre d'oxyde des terres rares selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'on dépose SiO2 sur une poudre d'oxyde des terres rares présente en dispersion aqueuse et/ou alcoolique par hydrolyse d'esters de l'acide silicique et/ou d'autres composés du silicium hydrolysables, à partir de sol de silice et/ou de solutions contenant du verre soluble. 4. Utilisation de la poudre d'oxyde des terres rares selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2 pour la fabrication de matériaux et pièces céra- miques.