Les composants en céramique d'alumine, grâce à leurs excellentes propriétés telles qu'une dureté élevée, une résistance aux hautes températures et à la corrosion, ainsi qu'une bonne isolation, sont largement utilisés dans l'électronique, le médical, l'aérospatiale et d'autres domaines. Des composants électroniques de précision aux pièces mécaniques destinées à des environnements extrêmes, on les retrouve partout. Cependant, le simple ajout d'eau à de la poudre d'alumine et sa cuisson à haute température ne permettent pas d'obtenir directement ces composants céramiques haute performance aux propriétés exceptionnelles. Les additifs jouent un rôle crucial.
L'alumine pure possède un point de fusion élevé de 2050 °C, et sa température de frittage doit généralement dépasser 1600 °C. Ceci entraîne non seulement une forte consommation d'énergie, mais aussi la formation de gros grains et une dégradation des performances. De plus, l'alumine est très fragile, et les céramiques frittées directement sont sujettes à la fissuration, ce qui rend difficile le respect des exigences des dispositifs de précision. Les fonctions des additifs sont les suivantes :
① réduire la température de frittage (économie d'énergie et réduction des coûts) ;
② améliorer la densité (réduire les pores et améliorer la résistance) ;
③ optimisation de la structure des joints de grains (amélioration de la ténacité et de la résistance aux chocs thermiques) ;
④ régulation des propriétés électriques/thermiques (telles que l'isolation et la conductivité thermique).
Cet article présente plusieurs additifs couramment utilisés :
1. Flux : Réduisent la température de frittage et améliorent la densité.
L'alumine possède un point de fusion élevé, et le frittage direct est non seulement très énergivore, mais exige également des équipements de haute performance. L'apparition des fondants a permis de résoudre efficacement ce problème. Agissant comme des régulateurs de température, ils permettent de réduire la température de frittage des céramiques d'alumine, rendant ainsi le processus de frittage plus efficace et économe en énergie.
(1) Le dioxyde de titane (TiO₂) est un fondant couramment utilisé. Lors du frittage, il réagit avec l'alumine pour former un eutectique, abaissant ainsi la température d'apparition de la phase liquide. Ce phénomène est comparable à la cuisson, où l'ajout d'assaisonnements spécifiques permet d'atteindre plus rapidement la température de cuisson idéale. L'utilisation du dioxyde de titane comme fondant permet non seulement de réduire la température de frittage, mais aussi d'améliorer, dans une certaine mesure, la dureté des céramiques d'alumine. Par exemple, dans certaines lames de coupe en céramique d'alumine, l'ajout d'une quantité appropriée de dioxyde de titane permet d'accroître leur résistance à l'usure tout en conservant une dureté élevée, prolongeant ainsi leur durée de vie.
(2) L'oxyde d'yttrium (Y₂O₃) est également un fondant important. Il inhibe la transformation de phase cristalline de l'alumine à haute température, préservant ainsi la stabilité de la structure céramique. Pour les produits en céramique d'alumine soumis à des exigences de stabilité thermique extrêmement élevées, tels que les socles de composants électroniques utilisés dans des environnements à haute température, l'ajout d'oxyde d'yttrium confère aux composants une bonne résistance aux chocs thermiques, les rendant moins susceptibles de se fissurer en cas de variations rapides de température.
(3) L'oxyde de calcium (CaO) a également pour effet de réduire la température de frittage. Il peut former un eutectique avec l'alumine, réduisant ainsi la consommation d'énergie, tout en empêchant une croissance excessive des grains, ce qui favorise l'obtention de céramiques à structure fine. Les céramiques à structure fine présentent généralement une résistance et une ténacité supérieures. Dans certaines pièces en céramique d'alumine devant résister à d'importantes contraintes externes, telles que les composants résistants à l'usure des équipements mécaniques, l'ajout d'oxyde de calcium permet d'améliorer leurs performances.
2. Agents de renforcement et de durcissement : Améliorent la ténacité à la rupture et réduisent la fragilité.
Bien que les céramiques d'alumine présentent une dureté élevée, leur ténacité est relativement faible, ce qui les rend sujettes à la rupture fragile sous l'effet d'un choc. L'apparition d'agents de renforcement et de durcissement agit comme une couche protectrice sur les composants en céramique d'alumine, permettant d'améliorer efficacement leur résistance et leur ténacité.
Le carbure de silicium (SiC) est un agent de renforcement et de durcissement couramment utilisé. Ses particules sont uniformément réparties dans la matrice d'alumine. Lorsqu'un composant céramique est soumis à des forces extérieures, les particules de SiC peuvent freiner la propagation des fissures. Ce phénomène est comparable à la présence d'obstacles sur une route : lorsqu'une fissure rencontre ces particules, sa direction de propagation est modifiée, ce qui consomme davantage d'énergie et rend le composant céramique moins susceptible de se rompre. Dans les paliers en céramique d'alumine utilisés dans des environnements à fortes charges, l'ajout de carbure de silicium peut améliorer significativement la capacité portante et la durée de vie des paliers.
Le nitrure de bore (BN) appartient à la famille des agents de renforcement et de durcissement. Il améliore les propriétés de frottement des céramiques et accroît leur résistance et leur ténacité. Dans certains composants en céramique d'alumine nécessitant de bonnes performances de frottement, comme les bagues d'étanchéité, l'ajout de nitrure de bore permet de réduire le frottement et l'usure entre les composants, d'améliorer l'étanchéité et d'accroître leur résistance, les rendant ainsi plus durables. Toutefois, si la quantité ajoutée dépasse 10 %, la dureté peut diminuer ; il est donc nécessaire de trouver un équilibre entre lubrification et résistance.
3. Additifs fonctionnels : Ajustent les propriétés électriques, thermiques ou optiques
En plus d'améliorer les propriétés de base, les additifs fonctionnels peuvent également conférer aux composants en céramique d'alumine des propriétés uniques permettant de répondre aux besoins de différents domaines.
(1) Les oxydes de terres rares, tels que le lanthane et le cérium, sont de véritables atouts pour l'amélioration des propriétés électriques. Dans certains composants en céramique d'alumine utilisés en électronique, comme les substrats céramiques pour circuits haute fréquence, l'ajout d'oxydes de terres rares permet d'ajuster la constante diélectrique et la tangente de perte de la céramique, d'améliorer ses performances électriques, de la rendre plus adaptée aux environnements haute fréquence et d'élargir son champ d'application en électronique.
(2) Les colorants sont les substances qui colorent les composants en céramique d'alumine. Des colorants tels que l'oxyde de chrome et l'oxyde de cobalt peuvent réagir avec l'alumine pour produire des céramiques de différentes couleurs. Dans certains produits céramiques à vocation décorative, comme la vaisselle et les objets décoratifs, l'ajout de colorants permet d'embellir et de diversifier les composants, répondant ainsi aux attentes esthétiques de différents consommateurs.
4. Liants et agents de moulage : Améliorent la fluidité de la poudre et la résistance du moulage.
Dans le processus de fabrication des composants en céramique d'alumine, les liants et les agents de moulage jouent un rôle crucial. Ils agissent comme une armée de héros discrets, transformant en silence la poudre d'alumine en pièces structurelles de formes variées.
Les liants organiques, tels que l'alcool polyvinylique (PVA) et le polyacrylate, agissent comme une colle, agglomérant les poudres d'alumine lors de la mise en forme de la pièce crue. Ce procédé confère à la pièce crue une résistance suffisante pour les étapes de traitement et de frittage ultérieures. Prenons l'exemple du coulage sur bande : le PVA permet de disperser uniformément les poudres d'alumine dans un solvant afin de former une suspension présentant la viscosité et la fluidité appropriées. Cette suspension est ensuite coulée en un film cru par le procédé de coulage sur bande. Après séchage du film cru, les liants comme le PVA maintiennent sa forme et sa structure, empêchant toute déformation lors des étapes de traitement ultérieures.
Les adjuvants de moulage comprennent les lubrifiants, les dispersants, etc. Les lubrifiants réduisent le frottement entre la poudre et le moule, minimisent l'usure de ce dernier et garantissent une densité uniforme de la pièce crue. En pressage à sec, l'ajout d'une quantité appropriée de lubrifiant facilite le remplissage du moule par la poudre, améliorant ainsi la densité de la pièce crue. Les dispersants, quant à eux, assurent une dispersion homogène de la poudre dans la barbotine afin d'éviter l'agglomération. En moulage par injection, les dispersants jouent un rôle particulièrement important en conférant à la barbotine une bonne fluidité, facilitant ainsi son injection dans le moule pour la formation de composants céramiques de formes complexes.
Les additifs jouent un rôle indispensable dans la fabrication des composants en céramique d'alumine. Ils contribuent de manière significative à leur production, notamment en abaissant la température de frittage, en améliorant les performances et en conférant aux composants des propriétés et des formes uniques. Grâce aux progrès technologiques constants, de nouveaux types d'additifs pourraient voir le jour, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour l'amélioration des performances et l'élargissement des applications des composants en céramique d'alumine.
