Elaboration de céramiques transparentes Er YAG : synthèse de poudre par co-précipitation et frittage SPS

par Caroline Marlot

Thèse de doctorat en Chimie - physique

Sous la direction de Frédéric Bernard et de Elodie Barraud.

Soutenue le 12-03-2013

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) (laboratoire) et de Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (LICB) (laboratoire) .

Le président du jury était Anne Leriche.

Le jury était composé de Elodie Barraud, Frédéric Smektala.

Les rapporteurs étaient Olivier Guillon, Michel Mortier.


  • Résumé

    Les céramiques polycristallines transparentes de YAG (Yttrium Aluminium Garnet, Y3Al5O12) et de YAG dopé par des lanthanides (Nd, Er, Ho, etc.) ont des propriétés optiques comparables aux monocristaux et peuvent être utilisées comme milieu laser solide dans les lasers solides à haute capacité calorifique. L’utilisation de ces céramiques polycristallines transparentes présente de nombreux avantages comparés aux monocristaux. Ces matériaux ont une meilleure conductivité thermique et sont fabriqués à plus faible coût tout en présentant des propriétés mécaniques améliorées et ce, sur des pièces de plus grandes dimensions. De plus, il est possible d’atteindre de plus forts taux de dopage avec une répartition uniforme du dopant. Le dopage du YAG par l’erbium (0.25 %at.) permet une émission laser « eye-safe » de 1645nm. De plus, un faible taux de dopage permet d’éviter le phénomène d’upconversion lors de l’effet laser.Les conditions pour obtenir la transparence sont, entre autres, l’absence de défauts, une très grande pureté (>99.9%), une répartition de taille de grains homogène et une densité très élevée (>99.9%).Les céramiques transparentes sont obtenues par la voie métallurgie des poudres. La synthèse par voie chimique (co-précipitation, sol-gel, voie hydrothermale…) permet la production de poudres très pures, avec une taille de particules homogène et nanométrique, comparée à la synthèse par voie mécanique (broyage d’oxydes). Le frittage SPS (Spark Plasma Sintering) permet quant à lui une densification rapide, à plus basse température, empêchant ainsi une croissance excessive et anormale des grains lors de la densification. L’application d’un courant électrique de forte intensité associée à une charge uniaxiale permet d’accélerer la cinétique de frittage comparé aux méthodes de frittage conventionelles.Ce travail porte sur l’élaboration de céramiques polycristallines transparentes Er:YAG par la voie métallurgie des poudres. La synthèse de poudre est réalisée par co-précipitation inverse d’une solution de nitrates dans l’hydrogénocarbonate d’ammonium. L’influence des paramètres de synthèse tels que le pH, la concentration, le temps de maturation ou encore le cycle de calcination a été étudiée. Après optimisation des conditions de synthèse, des particules d’Er:YAG pur présentant une taille moyenne de 50nm ont été obtenues. L’étude des mécanismes réactionnels a été menée en associant différentes techniques de caractérisations en température telles que la spectrométrie IR, la diffraction des rayons X, ainsi que des analyses thermo-gravimétriques et différentielles. La formation de la phase YAG à 1050°C passe par la formation d’une phase intermédiaire, le YAP (Yttrium Aluminium Perovskite, YAlO3) à 900°C.Les poudres synthétisées ont ensuite été frittées par frittage flash SPS. L’étude de l’influence du cycle de frittage (température, charge, rampe, maintien) sur la microstructure et son optimisation a été réalisée à partir de poudre commerciale et a permis l’obtention de céramiques transparentes de diamètre 30mm et d’épaisseur 3mm. Un changement d’échelle a également été réalisé permettant la réalisation d’échantillons de diamètre 60mm d’une part, et d’épaisseur 6mm d’autre part

  • Titre traduit

    Development of Er YAG transparent ceramics : co-precipitation synthesis of powder and Spark Plasma Sintering SPS


  • Résumé

    Yttrium aluminium garnet (YAG, Y3Al5O12) transparent ceramics have attracted much attention since it can replace single crystals as host materials in solid state heat capacity lasers. These polycrystalline ceramics present improved mechanical and spectroscopic properties, as well as a better heat conductivity, lower fabrication costs for larger size materials. Furthermore, it is possible to reach higher doping concentrations as well a uniform distribution. Doping YAG with Erbium (Er:YAG) allows eye-safe emission at 1645nm. Moreover, a low doping rate (0.5%at.) enables upconversion process during laser operation. Conditions for transparency are amongst others, the absence of defects, a high purity (>99.9%), an homogeneous grain size as well as a high density (>99.9%).Transparent polycrystalline ceramics can be obtained by powder metallurgy route. Powders, synthesized by chemical reactions such as sol-gel process, co-precipitation or hydrothermal methods, present some advantages like high purity, homogeneity and nano-sized particles compared to those obtained by solid-state reactions. A recent process called Spark Plasma Sintering (SPS) is presented to be a promising technique for the densification of nanostructured materials. Indeed, high current and pressure allow sintering at lower temperatures in shorter sintering time than in regular processes. Besides, rapid heating enables to limit excessive grain growth.In this study, Er:YAG nanopowders have been synthesized by co-precipitation using nitrates as precursors and ammonium hydrogen carbonate as precipitant. The influence of precipitation parameters such as pH, concentration, aging time, or even calcination temperature, has been studied. Er:YAG nanoparticles, with an average grain size of 30nm have been successfully synthesized. The reaction mechanisms have been investigated using different techniques such as infrared spectroscopy, x-ray diffraction, thermal analyses… The YAG phase is formed around 1050°C passing through an intermediate phase called YAP (Yttrium Aluminium Perovskite, YAlO3) at 900°C.Synthesized and commercial powders have been sintered to transparency using SPS device. Optimisation of the sintering conditions (temperature, load, heating rate, dwell time) have been realized using commercial powder. Transparent polycrystalline ceramic specimens with a 30mm diameter and 3mm thickness have been successfully obtained. A scale-up study enabled to produce samples with a diameter up to 60mm and also with 6mm thickness


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  • Détails : 1 vol. (179 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 172-179, 178 réf. Liste des communications

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  • Cote : TNSDIJON/2013/07
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