Elaboration par frittage réactif de céramiques monolithiques et composites à base de grenat d'yttrium et d'aluminium : Etude des relations entre microstructures et propriétés optiques

par Loïck Bonnet

Thèse de doctorat en Matériaux Céramiques et Traitements de Surface


  • Résumé

    Ce travail porte sur l’élaboration de céramiques transparentes composites à base de grenats d’yttrium et d’aluminium (Nd:YAG) avec différents ratios stœchiométriques (Nd+Y)/Al compris entre 0,40 et 0,70, autour du ratio correspondant à la composition stœchiométrique du Nd:YAG ((Nd+Y)/Al = 0,6000) par frittage-réaction sous vide. La mise en forme a été effectué par coulage sous pression de suspensions stables et homogènes de mélanges Al2O3-Y2O3-Nd2O3. L’étude des propriétés microstructurales, thermiques et optiques de ces céramiques a permis de mettre en évidence l’influence du ratio (Nd+Y)/Al sur les cinétiques de formation de la phase grenat et de densification du matériau ainsi que sur leurs propriétés optiques. Ainsi, il apparaît que pour des céramiques avec un ratio supérieur à 0,6000, correspondant à un matériau enrichi en yttrium, les cinétiques précédemment évoquées sont diminuées mais les propriétés de transparence et lasers apparaissent moins dégradées, contrairement au cas de céramiques enrichies en aluminium ((Nd+Y)/Al < 0,6000). De plus, l’étude de mélanges pulvérulents Nd:YAP-Al2O3 a permis de mettre en évidence un mécanisme de formation de la phase Nd:YAG suggérant l’existence d’une réaction solide-gaz avec évaporation-condensation de la phase réactive aluminée. Enfin, la faisabilité de céramiques de Nd:YAG à haut taux de dopage (4 % at.) a permis de montrer l’intérêt de ces matériaux dans la génération de propriétés optiques non linéaires du troisième ordre, particulièrement le phénomène d’autofocalisation de faisceaux lumineux par effet Kerr.

  • Titre traduit

    Elaboration of yttrium and aluminum garnets-based monolithic and composite ceramics by reactive-sintering : Study of relations between microstructures


  • Résumé

    This work is devoted to the elaboration of yttrium and aluminum garnets-based transparent composite ceramics with different (Nd+Y)/Al stoichiometric ratios ranged from 0.40 to 0.70, around the ratio corresponding to the Nd:YAG stoichiometric composition ((Nd+Y)/Al = 0.6000) by under-vacuum reactive-sintering. Pressure-casting of stable and homogeneous suspensions of mixing Al2O3-Y2O3-Nd2O3 was achieved. Study of microstructural, thermal and optical properties of these ceramics has made it possible to highlight the influence of (Nd+Y)/Al ratio on garnet phase formation and densification kinetics, and on optical properties. Thus, it appears that for ceramic with a ratio higher than 0.6000, corresponding to an yttrium-rich sample, the previously mentioned kinetics are decreased but transparence and lasers properties are less degraded, contrary to aluminum-rich ceramics ((Nd+Y)/Al < 0.6000). Moreover, study of Nd:YAP-Al2O3 powders mixing brings out Nd:YAG phase formation mechanism, suggesting the existence of solid-gas reaction with evaporation-condensation of aluminum-rich reactive phase. Finally, feasibility of Nd:YAG ceramics with high dopant content (4 at. %) has shown the interest of these materials in order to generate third-order nonlinear optical properties, especially self-focusing phenomenon of light beams by Kerr effect.


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