Frittage par micro-ondes

APPORT DU CHAUFFAGE PAR MICRO-ONDES A L’ELABORATION DE MATERIAUX FONCTIONNELS,SAVARY [6]

DEVELOPMENT OF ADVANCED MATERIALS USING MICROWAVES,WONG [87]

Le rayonnement micro-onde est la partie du spectre électromagnétique de longueur d’onde comprise entre 1 mm et 1 m, correspondant respectivement aux fréquences allant de 300 GHz à 300 MHz.

L’une des applications de ces fréquences est le chauffage, basé sur la capacité de la matière à absorber une partie de ce rayonnement. Généralement utilisé en cuisine à la fréquence de 2,45 GHz, il peut également être mis à profit pour le frittage de certains matériaux.

Un matériau peut présenter trois types d’interactions avec les micro-ondes : l’absorption, la transmission et la réflexion. En chauffage direct, seuls les matériaux présentant une capacité d’absorption du champ électrique ou magnétique des micro-ondes peuvent être frittés par ce procédé. Néanmoins, l’utilisation d’un suscepteur34 _{et d’une isolation appropriée permet de traiter} des matériaux peu absorbants.

L’utilisation d’une cavité micro-onde monomode permet de sélectionner le type de champ majoritairement perçu par le matériau en fonction de sa position dans la cavité :

- placé au niveau d’un nœud de champ magnétique, il sera majoritairement soumis à la composante électrique du champ micro-ondes (cf. figure 16) ;

- placé au niveau d’un nœud de champ électrique, il sera principalement influencé que par la composante magnétique de ce champ.

Figure 16 : Distribution schématique du champ électromagnétique en cavité micro-onde monomode [88] Les mécanismes du chauffage par absorption de la partie électrique du champ micro-onde sont bien connus et sont attribués aux pertes diélectriques du matériau. Celles-ci sont liées aux polarisations électroniques, atomiques, d’orientation dipolaire ou de charges d’espace.

34 _{Matériau absorbant dans le domaine des micro-ondes et permettant le chauffage indirect d’un autre} matériau par radiation infrarouge

34

Le chauffage par absorption de la partie magnétique du champ est lié aux pertes magnétiques du matériau. Ces pertes peuvent être provoquées par l’apparition de courants de Foucault dans un matériau conducteur – entrainant un échauffement par effet Joule – ou encore par l’existence d’un cycle d’hystérésis dans le cas des matériaux ferromagnétiques (phénomène de polarisation magnétique).

Le comportement de différents types de matériaux a été observé par Cheng et al. [88] et est détaillé dans les paragraphes suivants.

Les échantillons métalliques pulvérulents (e.g. acier et cobalt) sont connus pour être peu sensibles à l’action de la partie électrique du champ, mais ils sont rapidement chauffés en cas d’exposition à sa partie magnétique. Le cuivre fait en revanche exception, car il présente un couplage important avec les deux parties du champ électromagnétique.

Les céramiques présentant une forte conductivité – telle que le carbure de tungstène (semi- conducteur) – et les céramiques magnétiques – telle que la magnétite Fe3O4 – présentent des capacités de chauffage proches de celles des poudres métalliques, chauffant plus efficacement sous champ magnétique que sous champ électrique.

À l’inverse, les céramiques diélectriques, telles que l’alumine, chauffent lentement sous champ électrique du fait des faibles pertes diélectriques dans le matériau et sont peu sensibles à la partie magnétique du champ.

L’oxyde de zinc pur est un diélectrique avec de plus fortes pertes que l’alumine. Il présente un comportement inverse à celui des poudres métalliques : peu sensible à la partie magnétique du champ micro-ondes, il est rapidement chauffé lorsqu’il est soumis à l’application du champ électrique seul.

Pillai et al. [30] rapportent le chauffage par micro-ondes comme technique permettant d’accélérer les cycles de frittage et donc d’éviter le grossissement granulaire. D’après Roy et al. [89], la substitution du chauffage conventionnel par le chauffage micro-ondes augmente les cinétiques de frittage. Ceci permettrait ainsi de diminuer les températures et durées de frittage, tout en améliorant la densification.

En effet, Savary et al. [46] ont montré qu’en chauffage sous micro-onde35_{, il est possible d’atteindre} des densités plus élevées avec des tailles de grain plus faibles qu’en chauffage conventionnel36_{. Ces} modifications des caractéristiques de la céramique permettent d’améliorer les propriétés électriques du matériau37 _{(cf. tableau 4), tout en diminuant les durées de traitement thermique.}

Pour des traitements thermiques conventionnels équivalents aux cycles effectués en micro-ondes38 (« Conventionnel rapide » dans le tableau 4), des densités bien moindres et des tailles de grain similaires sont mesurée : l’influence des micro-ondes permet donc une densification rapide sur de courtes durées qui limite la croissance granulaire.

Mode de frittage Densité (% de DTh) Taille de grain (µm) Champ de seuil (V/mm) Paramètre de non-linéarité Conventionnel 95 15 132 10,6 Conventionnel rapide 83 - 84 4 - 11 284 - 575 5,9 – 14,7 Micro-ondes 93 - 99 4 - 10 315 - 396 12,2 – 14,2

Tableau 4 : Caractéristiques des échantillons élaborés par frittages conventionnel et micro-ondes [46]

35 _{Palier de 5 minutes entre 1145 et 1200 °C} 36 _{Palier de 1 h à 1100 °C}

37 _{Préparation par coprécipitation (0,5 %}

mol Bi2O3, 0,5 %mol Sb2O3, 0,5 %mol CoO, 0,5 %mol MnO) 38 _{Palier de 9 minutes entre 1100 et 1250 °C}

35

Chen et al. [90] ont montré des résultats similaires pour un oxyde de zinc dopé39 _{fritté sous micro-} ondes comprenant des paliers de 10 minutes à 900 – 1200 °C : les caractéristiques structurales (densités, tailles de grain) et électriques (champs de seuil, non-linéarité) évoluent de façon similaire à celles obtenues par frittage en four conventionnel avec des cycles thermiques comprenant des paliers d’une heure aux mêmes températures.

Le prolongement des paliers de 10 minutes à une heure provoque un fort accroissement de la taille de grain et une diminution de la densité à partir de 1000 °C. Cette dé-densification est expliquée par une vaporisation de l’oxyde de bismuth. Les propriétés obtenues sont également affectées : le champ de seuil et le coefficient de non-linéarité diminuent fortement.

Le frittage sous micro-onde semble permettre d’augmenter le champ de seuil tout en conservant une forte densification, du fait des faibles durées de traitement thermique et de mécanismes de densification améliorés. Par la suite, nous chercherons à évaluer l’apport de ce type de chauffage à l’élaboration des varistances à fort champ de seuil.