Le saphir synthétique : L`ultra performance - Goodfellow

Le saphir synthétique :
L’ultra performance
par Ian Doggett, Responsable technique, Division Céramique et Verre
c/o Goodfellow SARL, Lille, France.
Le saphir, forme cristalline de l’alumine (Al2O3), fut synthétisé
pour la toute première fois il y a plus d’un siècle, mais
c’est de nos jours que se produisent les avancées les
plus spectaculaires associées à ce matériau si versatile.
Façonné par l’action combinée des exigences d’applications
nouvelles et des avancées technologiques en matière de
procédés de fabrication et de finition, le saphir synthétique
est souvent le matériau de choix pour les ingénieurs d’études
ayant à compter avec des conditions extrêmes de hautes
températures, de hautes pressions et d’environnements
chimiques particulièrement corrosifs.
Un profil de performances exceptionnel
Le saphir, avec un niveau de 9 sur l’échelle de Mohs,
n’est surpassé en dureté et en résistance à la
rayure que par le diamant. Avec son point de
TABLEAU 1:
fusion à 2050°C, sa résistance mécanique, sa
Propriétés typiques du saphir (Al2O3, 99,9%)
résistance à l’impact et à la corrosion, sa stabilité
Résistance chimique
dimensionnelle, sa durabilité sous des pressions
Acides - concentrésBonne
extrêmes et sa propriété inhabituelle alliant une
Acides - diluésBonne
excellente conductivité thermique à une très
AlkalisBonne
haute résistance à la chaleur, font du saphir un
HalogènesBonne
MétauxBonne
matériau qui se distingue des matériaux avancés
tels que les céramiques et les verres (voir tableau 1).
Propriétés électriques
De plus, les propriétés optiques du saphir sont
Constante diélectrique
7,5-11,5
exceptionnelles: il est transparent aux ondes
Rigidité diélectrique (kV mm-1)
15-50
Résistivité volumétrique @25˚C (Ohm-cm)
>1014
lumineuses de longueur comprise entre 150nm
(UV) et 5500 nm (IR).
Une optimisation des performances pour
des applications spécifiques
Les applications sont diverses et variées,
depuis des roulements miniatures jusqu’aux
nez de missiles. Le tableau 2 présente une liste
d’exemples d’applications typiques. L’optimisation
de la performance dans le cadre d’une application
donnée requiert non seulement des connaissances
dans le domaine des diverses technologies de
croissance du cristal de saphir mais aussi des effets
des techniques de finition spécifiques.
Il existe six principales méthodes de production
du saphir. Elles impliquent toutes deux étapes
Propriétés mécaniques
Résistance à la compression (MPa)
2100
Dureté - Knoop (kgf mm-2)2000
Dureté - Vickers (kgf mm-2) 1600 - 1800
Module de traction (GPa)
350 - 390
Propriétés physiques
Porosité apparente (%)0
Densité (g cm-3)3,985
Indice de réfraction
1,71 - 1,79
Transmission lumineuse utile (nm)
150 - 5500
Absorption d’eau - saturation (%)
0
Propriétés thermiques
Coefficient de dilatation thermique
à 20-1000˚C (x10-6 K-1)5,8
Point de fusion (˚C)
2050
Chaleur spécifique à 25˚C (J K-1 kg-1) 750
Conductivité thermique à 20˚C (W m-1 K-1)
35-40
Température d’utilisation
permanente maximale (˚C)
1800 - 1950
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de base: la fusion du matériau brut (l’alumine), et ensuite le
refroidissement et sa solidification de façon à ce que les cristaux
soient alignés. Chaque méthode de croissance des cristaux a
ses avantages mais aussi ses limites (voir tableau 3). Étant donné
la variété des technologies de croissance, la sélection d’une
des méthodes de fabrication représente un défi que l’on ne
peut prétendre remporter qu’en s’assurant de la collaboration
de quelqu’un dont les compétences permettent de faire
correspondre la technologie de fabrication avec le procédé de
finition (façonnage, tranchage, meulage, polissage) employé
pour l’application utilisant le saphir comme matériau ou comme
composant. Alors que certaines applications peuvent exiger
les formidables propriétés optiques et de résistance à la rayure
du saphir, d’autres peuvent requérir sa température de service
élevée et sa durabilité mécanique. Il est important de considérer
chacun des aspects physiques et fonctionnels du composant en
saphir proposé, de façon à établir des spécifications aboutissant à
une meilleure rentabilité (et faisabilité !).
TABLEAU 2: Marchés et applications
Fabrication des semi-conducteurs
Substrats, wafers, tubes de confinement du plasma,
hublots de chambres à vide, broches de levage,
injecteurs de gaz
Optique
Applications laser; fenêtres optiques à haute
performance y compris UV, PIR, IR; spectroscopie
RMN; fenêtres, lentilles, prismes, flans.
Armée/Aérospatiale
Fenêtres de systèmes de détection par l’avant aux
rayons infrarouges (FLIR), systèmes de guidage,
radiométrie, nez de missiles, diverses applications des
domaines de l’aérospatiale et de la marine.
Industrie
Analyse de gaz, analyse chimique, thermocouples,
isolateurs pour applications en radiofréquences et
microondes, instrumentation et implants médicaux,
pièces d’usure telles que broches, coussinets de
paliers, flans, plaques de friction.
TABLEAU 3: Technologies de croissance du cristal de saphir
Méthode:
Verneuil
Czochralski
Kyropoulos
Date:
Fin du XIXème siècle
1916
1926
Technique:
Doublage à la flamme (gouttes en
fusion)
Par tirage de la zone liquide
Cristallisation directe du matériau
en fusion
Procédé:
Dans un four de Verneuil, la poudre
d’alumine est fondue sous une
flamme d’hydrogène-oxygène puis
tombe sur la surface en fusion d’un
germe de cristal orienté. Au fur et à
mesure que la poudre fondue tombe
sur la boule de fusion ainsi obtenue,
la taille du cristal augmente.
Le matériau en germe est placé
dans un creuset et fondu dans une
chambre. Un fin germe de saphir avec
une orientation précise est trempé
dans le liquide de fusion et en est
retiré selon un rythme bien précis
alors que le cristal et le creuset sont
entraînés dans une rotation en sens
inverse. Le procédé est répété de
manière continue, les couches de
cristal s’ajoutant les unes aux autres
lors de chaque cycle.
À l’intérieur d’un creuset, on monte
un germe de cristal sur un support
et l’on fait fondre le matériau. La
cristallisation commence lorsque
le germe entre en contact avec le
liquide de fusion, le cristal grossissant
dans le liquide en prenant une forme
hémisphérique. Lorsque le cristal
grossit au point de s’approcher des
parois du creuset, le support du
germe de cristal sur lequel se trouve
le cristal en croissance est levé et
la croissance se poursuit jusqu’à ce
que le cristal atteigne de nouveau
les parois du creuset.
Avantages:
Ce procédé reste le moins onéreux
pour produire le saphir synthétique
destiné à certaines applications
(ex: gemmes de saphir synthétique,
pierres d’horlogerie, verres de
montres).
Le saphir fabriqué de cette manière
présente de bonnes propriétés
optiques répondant aux lasers, aux
fenêtres IR et UV, aux substrats
électroniques transparents, aux
hublots pour les traitements à haute
température et aussi à d’autres
applications optiques.
La dimension du cristal obtenu
par croissance n’est limitée que
par la taille du creuset utilisé et les
cristaux sont dépourvus de toute
fissure ou défaut qui pourrait résulter
d’un confinement de dimension
restreinte. Les cristaux de saphir
produits sont aussi d’une très
grande qualité optique répondant
aux exigences de la fabrication de
lingots et de substrats destinés aux
applications LED et RF, aux fenêtres,
lentilles et optiques de précision.
Limites:
Dimensions et formes possibles
limitées. Des stries curvilignes
apparaissent dans tout le cristal, ce
qui le rend moins bien adapté aux
applications optiques.
Ce procédé de croissance peut
prendre jusqu’à huit semaines,
exigeant l’utilisation d’énergie et une
surveillance en continu.
Les boules obtenues par la méthode
Kyropoulos présentent des traces
périphériques superficielles.
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Méthode:
Méthode de croissance en
filière (EFG - Stepanov)
Méthode HEM (par échangeur
de chaleur)
Solidification directionnelle
horizontale (HDS)
Date:
1965
1967
1975
Technique:
Par tirage à partir du bain fondu
Inversion ou modification de la
méthode Kyropoulos
Croissance en plaque horizontale
Procédé:
L’alumine fondu dans un creuset
mouille la surface de la filière et
monte sous l’effet de l’attraction
capillaire. Un germe de saphir d’une
cristallinité spécifique est plongé
dans le bain fondu au-dessus de
la filière puis retiré. Il se solidifie en
saphir lors du tirage en prenant la
forme de la filière.
Un germe de cristal de saphir est
placé au fond d’un creuset qui
est ensuite chargé de craquelé
d’alumine et déposé dans un
four. Par une gestion précise de
la température de chauffe et du
refroidissement, on obtient une
croissance du cristal en trois
dimensions.
Les cristaux sont cultivés à partir
de l’alumine en fusion dans un
récipient horizontal à un rythme de
croissance de 8 à 10 mm par heure.
Avantages:
Cette méthode permet de produire
des cristaux de formes diverses
telles que tubes, tiges, feuilles,
rubans et fibres, ce qui réduit le
travail d’usinage et par là même les
coûts de production. Les cristaux
peuvent avoir des orientations
cristallographiques différentes (A, C,
aléatoire).
Possibilité de créer des boules
de grande dimension. Production
de cristaux exceptionnels par
allongement de la phase de
refroidissement.
Production de plaques de toutes
orientations cristallines, de grande
dimension et présentant des
bords presque parfaits. Permet la
fabrication de fenêtres de grande
épaisseur ainsi que de composants
d’une excellente qualité optique.
Utilisée très souvent dans les LED
bleus.
Limites:
Durée du procédé plus longue
et surcoûts entraînés par la
production des filières déterminant
la forme des cristaux. La qualité
optique moyenne à faible obtenue
limite l’utilisation des cristaux
aux applications mécaniques et
industrielles et à des spécifications
optiques de moindre exigence.
Peut s’avérer d’un coût élevé
entraîné par le remplacement des
creusets en molybdène et tungstène
souvent utilisés pour ce procédé.
Ce procédé ne produit
généralement que des matériaux
très épais. Comme pour la méthode
HEM, les coûts de production
entraînés par l’utilisation de nacelles
en molybdène ou en tungstène
peuvent poser problème.
Pour ce qui est de la finition, la façon dont le cristal de saphir
est coupé influe beaucoup sur la performance. La structure
d’un cristal de saphir est rhomboédrique; elle présente trois
axes R, A et C ainsi que les faces A, C, R, M et N (voir figure 1).
C’est un cristal anisotrope aux dimensions non uniformes, qui
affiche des propriétés qui sont spécifiques à son orientation
cristalline. Ces propriétés peuvent être thermiques, physiques,
optiques ou électriques. Bien que I’orientation cristalline n’ait
pas d’importance pour de nombreuses applications, il est bon
de prendre en compte ce que cette caractéristique peut signifier
dès lors que le saphir est spécifié.
FIG. 1:
Perspectives d’avenir
Schéma cristallographique du saphir
De récentes avancées au niveau de la capacité à produire des
pièces en saphir plus grandes (tubes jusqu’à une longueur
de plus d’un 1 m, wafers de près de 30 cm de diamètre,
cônes de plus de 20 cm de diamètre) ont ouvert la voie à des innovations intéressantes en matière de design
et de conception. Les progrès accomplis dans le sens d’une production de cristaux au plus près de la forme
finie conduisent à une meilleure flexibilité au niveau du design. Après plus de 100 ans, l’histoire du saphir
synthétique est toujours en train de s’écrire.
Pour de plus amples informations concernant le saphir synthétique, contactez [email protected].
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