Brevet FR2861066A1 — publié le 20050422

La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces en matériaux céramiques en particulier en matériaux céramiques piézoélectriques employés par exemple dans les dispositifs de conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique ou de conversion d'énergie électrique en énergie mécanique, tels que les transducteurs, actionneurs, générateurs d'électricité, moteurs, pompes, senseurs, revêtements anéchoïques, et revêtements de masquage acoustique. La confection des pièces céramiques est traditionnellement effectuée par sciage et usinage de pièces brutes en matériau de base piézoélectrique céramique ou monocristallin. Or, l'usinage d'une pièce massive de matériau de base est une opération longue et onéreuse. En effet, une fraction significative du matériau de base de départ doit être enlevée par l'outil lors de la découpe, typiquement 50% dans le cas des pièces céramiques pour dispositifs en composites céramique - polymère, ceci engendrant un premier coût de perte de matériau de base. Par ailleurs, l'usinage de pièces de base est difficile à réaliser industriellement, parce que ce matériau de base, céramique ou cristal, est fragile. Enfin, les procédés actuels ne permettent pas d'obtenir toutes les formes de pièces que l'on souhaiterait. Les formes accessibles sont simples: disques, parallélépipèdes, obtenus par moulage que l'on échancre, poli, découpe par usinage. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication de pièces en matériaux céramiques permettant d'obtenir une diversité de formes de pièces, et de simplifier l'usinage. Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de pièces en matériaux céramiques en particulier en matériaux piézoélectriques utilisant une préforme composée d'au moins une feuille en matériau déformable comportant une étape de déformation de la préforme avant cuisson. De préférence, la préforme est obtenue par coulage en bande ou d'un profilé obtenu par extrusion d'un matériau déformable constitué d'une phase céramique dispersée dans une matrice organique pouvant être superposée à d'autres préformes ou à des structures lamellaires ou à des couches métalliques Le procédé comporte de préférence une étape préalable à la réalisation de la préforme consistant à ajouter des semences, des cristaux, des monocristaux ou des porogènes. Le procédé peut comporter une étape préalable à la cuisson consistant à créer des trous dans la préforme répartis de façon contrôlée. De préférence, le procédé comporte une étape d'usinage de la pièce produite après cuisson. Le procédé peut comporter une étape de finition consistant si nécessaire à électroder, polariser, enrober ou imprégner totalement ou partiellement la pièce obtenue après cuisson. L'étape de déformation appliquée à la préforme peut consister à un enroulement en spirale, un pliage, un gaufrage une mise en forme par pressage ou un chiffonnage. Ce procédé présente l'avantage de réduire le coût de fabrication des pièces en matériaux céramiques par une réduction des pertes de matériaux lors de l'usinage. Un autre avantage réside dans la diversité des formes de pièces obtenues suite aux différents types de déformations appliquées sur la préforme. La création de trous dans la préforme engendre des variations de caractéristiques mécaniques, diélectriques, piézoélectriques dans la pièce finale, ce qui permet avantageusement d'optimiser les caractéristiques de ces pièces actives. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée, ci-dessous. Cette description sera faite en regard des dessins annexés illustrant le procédé selon l'invention et la réalisation à titre d'exemple d'une pièce particulière et non limitative obtenues par ce procédé : ils décrivent la réalisation de pièces en céramique piézoélectrique en structure composite feuilletée, composée d'une phase active en céramique piézoélectrique enrobée d'une phase passive interstitielle composée d'un polymère organique. Ces pièces sont plus spécifiquement conçues pour devenir les parties actives d'hydrophones pour antennes de sonar. - La figure 1 montre un logigramme du procédé selon l'invention - La figure 2 montre une préforme (1), avant cuisson, constituée de N feuilles (5) et comportant des trous (2) à l'une de ses extrémités. - La figure 3 représente la préforme (1) avant cuisson déformée par enroulement tridimensionnel en spirale autour d'un mandrin non représenté. Les trous (2) sont distribués sur la partie extérieure de l'enroulement. - La figure 4 représente la préforme (1) de la figure 2 après cuisson. Des électrodes (3) et des fils optionnels de connections (4) sont déposées sur les deux faces opposées de la préforme composant la pièce. - Les figures 5 et 6 montrent des variantes de déformations appliquées à la préforme: respectivement un pliage de la préforme (1) à la manière d'une pâte feuilletée et un pliage aléatoire ou chiffonnage. En référence aux figures 1 à 6, le matériau utilisé pour fabriquer une préforme (1) est constitué d'un mélange de poudres précurseurs céramiques et autres composants de type connu, auquel on donne une consistance pâteuse en le liant à basse température avec une phase organique. Optionnellement, on change la composition du matériau dans le but de modifier ses caractéristiques: on ajoute des semences ou des cristaux pour favoriser une orientation cristalline au cours de la cuisson, des monocristaux pour provoquer un renforcement mécanique ou des porogènes pour créer des porosités de fraction volumique et de taille contrôlées. Cette pâte est ensuite mise en moule, extrudée, laminée, découpée pour réaliser une préforme (1). La préforme a alors une forme rectangulaire dont l'épaisseur est comprise entre 20 microns et un millimètre. Optionnellement, la structure de la préforme peut être modifiée: en superposant d'autres préformes de compositions chimiques identiques ou différentes pour obtenir des épaisseurs plus importantes ou des structures lamellaires composites; ou en superposant des couches métalliques conductrices pour créer des électrodes ou provoquer un renforcement mécanique. L'adhérence entre les différents composants ainsi superposés est assurée par un pressage à froid ou à chaud. L'épaisseur de la préforme est comprise entre 20 microns et plusieurs millimètres (figure 2). Des trous (2) sont ensuite optionnellement réalisés dans la préforme (1) (figure 2). Ces trous sont répartis de façon contrôlée pour engendrer des différences locales des caractéristiques mécaniques, diélectriques, piézoélectriques de la pièce finale après cuisson. La variation de la densité, de la taille, et de la forme des trous permet de créer dans la pièce finale des gradients de caractéristiques mécaniques, diélectriques, piézoélectriques. Le gradient radial de densité et de dureté conféré à la pièce par la répartition des trous (2) donne à la pièce finale de l'exemple un meilleur coefficient de couplage acoustique à l'eau et une bande passante accrue. La préforme est ensuite déformée pour constituer la forme tridimensionnelle recherchée. Les déformations peuvent être un enroulement en spirale selon sa longueur ou sa largeur, un pliage (figure 5), un gaufrage, un pressage ou un chiffonnage (figure 6). La cuisson intervient ensuite, la pièce obtenue est frittée, au besoin sous presse, par un cycle thermique propice à provoquer l'apparition de la microstructure désirée. La cuisson confère à la pièce formée ses propriétés d'usage définies par la composition de la préforme. La pièce est ensuite, si nécessaire, électrodée, polarisée, enrobée ou imprégnée d'autres matières remplissant totalement ou partiellement les interstices laissés vacants dans la phase céramique. Des électrodes (3) sont, pour notre exemple, déposées sur les deux faces opposées de la préforme (1) mais peuvent, sans limitation, être déposées selon d'autres géométries. Elles peuvent également être intégrées à la préforme par dépôt de couches métalliques conductrices (figure 4). L'enrobage peut se faire sous vide, pour l'exemple, la pièce est enrobée d'une résine polymère destinée à en faire une pièce en matériau composite céramique piézoélectrique - résine. La géométrie du composite ainsi créée est dite de connectivité 2- 2 selon la géométrie de pliage adoptée. L'obtention, si nécessaire, de pièces plus petites, possédant les caractéristiques mécaniques ou diélectriques ou piézoélectriques de la pièce mère, se fait ensuite par découpage en tranche de la pièce mère. Ces pièces issues de la pièce mère peuvent être ensuite électrodées, polarisées, enrobées ou imprégnées. 6 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pièces en matériaux céramiques en particulier en matériaux piézoélectriques utilisant une préforme composée d'au moins une feuille en matériau déformable caractérisé en ce qu'il comporte une étape de déformation de la préforme avant cuisson. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme est obtenue par coulage en bande ou d'un profilé obtenu par extrusion d'un matériau déformable constitué d'une phase céramique dispersée dans une matrice organique pouvant être superposée à d'autres préformes ou à des structures lamellaires ou à des couches métalliques 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable à la réalisation de la préforme consistant à ajouter des semences, des cristaux, des monocristaux ou des porogènes. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable à la cuisson consistant à créer des trous dans la préforme répartis de façon contrôlée. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'usinage de la pièce produite après cuisson. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de finition consistant si nécessaire à électroder, polariser, enrober ou imprégner totalement ou partiellement la pièce obtenue après cuisson. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de déformation appliquée à la préforme consiste à un enroulement en spirale, un pliage, un gaufrage une mise en forme par pressage ou un chiffonnage.