Film céramique réalisé par dépôt de poudre en aérosol sur une électrode poreuse perméable aux gaz, tels que ceux requis dans les piles à combustible. Crédit :Jörg Exner.
Pendant longtemps, la production de revêtements céramiques n'a été possible qu'au moyen de techniques de frittage menées à plus de 1, 000 degrés Celsius. Cependant, une nouvelle méthode de pulvérisation, Dépôt de poudre en aérosol (PAD), permet leur production à des températures ambiantes normales. Il est donc très attractif pour des applications industrielles. Ingénieurs scientifiques de l'Université de Bayreuth sous la direction du Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos travaille en première ligne du développement continu de cette technologie. Dans le journal de " Matériaux avancés ", ils présentent ses avantages et montrent comment les propriétés fonctionnelles des films céramiques peuvent être optimisées au regard des applications de haute technologie.
Avec PAD, les films céramiques denses peuvent être appliqués sur des types de matériaux très différents, comme l'acier, un verre, silicium, ou même en plastique. Pour y parvenir, une poudre céramique sèche est d'abord transformée en aérosol, c'est-à-dire un mélange de gaz et de particules solides, à l'aide d'un gaz vecteur. L'aérosol est ensuite transporté dans une chambre à vide, et accéléré à plusieurs 100 mètres par seconde à travers une buse et dirigé sur le matériau à revêtir. A l'impact, la fracture de minuscules particules de céramique. Les fragments résultants, seulement quelques nanomètres, caractéristique fraîche, surfaces actives. Ils forment en adhérant étroitement, revêtements denses d'une épaisseur comprise entre 1 et 100 micromètres.
« Grâce à leur microstructure dense, les revêtements présentent déjà d'excellentes propriétés mécaniques même directement après le dépôt. Ils sont extraordinairement durs et ont une bonne résistance chimique, " explique le Dr.-Ing. Jörg Exner, premier auteur de l'étude, qui a été une force motrice dans les travaux de recherche sur la PAD à l'Université. Cependant, comme ça s'est apparu, certaines propriétés fonctionnelles des revêtements, en particulier la conductivité électrique, s'est avérée insuffisante sans prendre d'autres mesures. Dans leur nouvelle étude, néanmoins, les ingénieurs scientifiques de Bayreuth sont désormais en mesure de présenter des méthodes d'optimisation efficaces.
Un schéma du dépôt de poudre en aérosol (PAD). Crédit :UBT.
Les structures cristallines sont d'une importance cruciale dans ce contexte. Le fort impact des particules céramiques sur les matériaux provoque des défauts structurels dans les fragments résultants. Cela affecte non seulement la conductivité électrique, mais aussi d'autres propriétés fonctionnelles. "Par un post-traitement thermique, ou ce qu'on appelle la trempe, ces défauts peuvent être presque complètement éliminés. Nous avons pu montrer que les températures requises sont généralement bien inférieures à celles du frittage classique. L'évitement de ces températures extrêmement élevées est ce qui rend le PAD si attrayant. Il reste donc vrai :Cette technologie offre un potentiel industriel très élevé, en particulier là où des revêtements céramiques de haute qualité sont requis, " conclut Exner.
Le type de matériaux céramiques traités dépend des applications technologiques envisagées :les céramiques diélectriques conviennent aux condensateurs, les céramiques fonctionnelles conductrices d'électricité sont préférées pour les capteurs, et l'oxyde de zirconium stabilisé à l'yttrium est utilisé dans les piles à combustible à haute température. Même les batteries lithium-ion peuvent être produites de cette manière.
La compréhension scientifique des structures des films céramiques et de leurs propriétés fonctionnelles, obtenu à l'Université de Bayreuth, contribuera de manière significative à l'objectif d'intégration durable de composants revêtus de haute qualité dans des systèmes complexes. Nouvelles technologies, par exemple, dans les domaines du stockage et de la conversion d'énergie, ou à des fins de surveillance environnementale, par conséquent, devraient bénéficier considérablement des applications de dépôt par aérosol de poudre.
