Céramique optique

Céramiques optiques, matériaux industriels avancés développés pour une utilisation dans des applications optiques.

Les matériaux optiques tirent leur utilité de leur réponse à la lumière infrarouge, optique et ultraviolette. Les matériaux optiques les plus évidents sont les verres, qui sont décrits dans l'article verre industriel, mais les céramiques ont également été développées pour un certain nombre d'applications optiques. Cet article passe en revue plusieurs de ces applications, à la fois passives (par exemple, fenêtres, radômes, enveloppes de lampes, pigments) et actives (par exemple, luminophores, lasers, composants électro-optiques).

Dispositifs passifs

Fenêtres optiques et infrarouges

A l'état pur, la plupart des céramiques sont des isolateurs à large bande interdite. Cela signifie qu'il existe un grand écart d'états interdits entre l'énergie des niveaux d'électrons remplis les plus élevés et l'énergie du niveau inoccupé immédiatement supérieur. Si cette bande interdite est plus grande que les énergies lumineuses optiques, ces céramiques seront optiquement transparentes (bien que les poudres et les compacts poreux de ces céramiques soient blancs et opaques en raison de la diffusion de la lumière). Deux applications de la céramique optiquement transparente sont les fenêtres pour lecteurs de codes à barres dans les supermarchés et les fenêtres infrarouges à radôme et à laser.

Le saphir (une forme monocristalline d'oxyde d'aluminium, Al ₂ O ₃) a été utilisé pour les fenêtres de caisse des supermarchés. Il combine la transparence optique avec une haute résistance aux rayures. De même, des céramiques polycristallines monocristallines ou transparentes aux infrarouges telles que le chlorure de sodium (NaCl), le chlorure de potassium dopé au rubidium (KCl), le fluorure de calcium (CaF) et le fluorure de strontium (SrF ₂) ont été utilisées pour les radômes infrarouges résistants à l'érosion, fenêtres pour détecteurs infrarouges et fenêtres laser infrarouges. Ces matériaux aux halogénures polycristallins ont tendance à transmettre des longueurs d'onde inférieures à celles des oxydes, s'étendant jusqu'à la région infrarouge; cependant, leurs joints de grains et leur porosité diffusent le rayonnement. Par conséquent, ils sont mieux utilisés comme monocristaux. En tant que tels, cependant, les halogénures ne sont pas suffisamment résistants pour les grandes fenêtres: ils peuvent se déformer plastiquement sous leur propre poids. Afin de les renforcer, les monocristaux sont généralement forgés à chaud pour induire des joints de grains propres et de grandes tailles de grains, ce qui ne diminue pas de manière significative la transmission infrarouge mais permet au corps de résister à la déformation. Alternativement, un matériau à gros grains peut être coulé par fusion.

Enveloppes de lampe

Les lampes à décharge électrique, dans lesquelles les gaz enfermés sont alimentés par une tension appliquée et ainsi incandescents, sont des sources lumineuses extrêmement efficaces, mais la chaleur et la corrosion impliquées dans leur fonctionnement poussent la céramique optique à ses limites thermochimiques. Une percée majeure s'est produite en 1961, lorsque Robert Coble de la General Electric Company aux États-Unis a démontré que l'alumine (un polycristallin synthétique, Al ₂ O ₃) pouvait être frittée à la densité optique et la translucidité en utilisant la magnésie (oxyde de magnésium, MgO) comme aide au frittage. Cette technologie a permis à la décharge de sodium extrêmement chaude dans la lampe à vapeur de sodium à haute pression d'être contenue dans un matériau réfractaire qui a également transmis sa lumière. Le plasma à l'intérieur de l'enveloppe intérieure de la lampe en alumine atteint des températures de 1 200 ° C (2 200 ° F). L'émission d'énergie couvre presque tout le spectre visible, créant une lumière blanche brillante qui reflète toutes les couleurs, contrairement à celle de la lampe à vapeur de sodium à basse pression, dont la lueur ambrée est courante dans les horizons des grandes villes.

Pigments

L'industrie de la couleur ou des pigments céramiques est une industrie traditionnelle de longue date. Les pigments ou colorants céramiques sont constitués de composés d'oxyde ou de séléniure en combinaison avec des éléments spécifiques de métaux de transition ou de terres rares. L'absorption de certaines longueurs d'onde de la lumière par ces espèces confère des couleurs spécifiques au composé. Par exemple, l'aluminate de cobalt (CoAl ₂ O ₄) et le silicate de cobalt (Co ₂ SiO ₄) sont bleus; l'oxyde d'étain-vanadium (appelé SnO ₂ dopé V) et l'oxyde de zirconium-vanadium (ZrO ₂ dopé V) sont jaunes; la chromite de cobalt (CoCr ₂ O ₃) et le grenat de chrome (2CaO · Cr ₂ O ₃ · 3SiO ₂) sont verts; et l'hématite au chrome (CrFe ₂ O ₃) est noire. Une vraie couleur rouge, non disponible dans les matériaux silicatés naturels, se trouve dans les solutions solides de sulfure de cadmium et de séléniure de cadmium (CdS-CdSe).

Des pigments en poudre sont incorporés dans des corps céramiques ou des émaux afin de donner de la couleur aux articles cuits. La stabilité thermique et l'inertie chimique pendant la cuisson sont des considérations importantes.