Élaboration et caractérisations d'un spinelle polycristallin à grains fins transparent dans le visible et l'infrarouge

par Nassira Benameur

Thèse de doctorat en Molécules et matière condensée

Sous la direction de Guillaume Bernard-Granger et de Ahmed Addad.

Soutenue le 02-10-2009

à Lille 1.


  • Résumé

    Ce travail porte sur la fabrication d’une céramique polycristalline transparente à structure cristalline cubique : le spinelle de magnésium et d’aluminium. Contrairement aux monocristaux tels que le saphir, les céramiques polycristallines peuvent être synthétisées sous des formes beaucoup plus complexes et avec un procédé de fabrication beaucoup moins couteux. Le spinelle présente également l’avantage d’être un matériau bi-bande transparent à la fois dans le visible et le moyen infrarouge (0.4-6 µm) avec de bonnes propriétés mécaniques. Cependant, les conditions requises pour la transparence (totale densification et absence d’impuretés ou de seconde phase), rendent une industrialisation particulièrement difficile à ce jour. L’objectif de cette étude a donc été de proposer un procédé robuste et industrialisable permettant l’élaboration d’une céramique polycristalline à grains fins à partir d’une poudre de spinelle. Pour cela différentes voies de frittage ont été explorées : un frittage naturel sous air suivi d’une compression isostatique à chaud par gaz, et le frittage SPS. Suivant la voie de frittage adoptée, les propriétés optiques et mécaniques du produit fini ont été comparées par rapport aux autres matériaux disponibles sur le marché. Finalement, les propriétés de transport du spinelle ont été investiguées par le biais d’analyses EELS et de mesures de la conduction ionique.

  • Titre traduit

    Elaboration and caracterisation of a fine-grained polycristalline spinel transparent in the visible and the infrared range


  • Résumé

    This thesis deals with the elaboration of a transparent polycristalline ceramic with a cubic crystalline structure: magnesium aluminate spinel. Contrary to single-crystals such as sapphire, a polycristalline material can be elaborated, through a low cost process, with different sizes and shapes. Spinel has the main advantage to be a bi-band material: transparent in the visible and in the mid-infrared range (0.4-6µm). Despite many attempts to commercialize spinel, it is not available yet as an optical material due to the difficulty to get transparency (dense and defect-free material). The aim of this work is to propose a simple and reliable process in order to obtain a fine-grained and transparent spinel. Different sintering routes have been investigated: pressureless sintering on air followed by a High Isostatic Pressing step (HIP) and Spark Plasma Sintering (SPS). According to the sintering route chosen, the optical and mechanical properties of the final product have been compared. Finally the transport properties of spinel, have been investigated by EELS spectroscopy and by ionic conductivity measurements.

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