Céramique

Types de matériaux céramiques

Pour des raisons de commodité, les produits céramiques sont généralement divisés en quatre secteurs, qui sont présentés ci-dessous avec quelques exemples :

• Structurelle, y compris les briques, les tuyaux, les tuiles de sol et de toit
• Réfractaires, tels que les revêtements de four, les radiants de feu de gaz, les creusets de fabrication d'acier et de verre
• les articles de blanchisserie, y compris la vaisselle, les carreaux muraux, les objets d'art décoratif et les articles sanitaires
• La céramique technique est également connue sous le nom de céramique d'ingénierie, de pointe, spéciale et, au Japon, de céramique fine. Parmi ces articles, on trouve les tuiles utilisées dans le programme de la navette spatiale, les tuyères de brûleurs à gaz, les gilets pare-balles, les pastilles d'oxyde d'uranium de combustible nucléaire, les implants biomédicaux, les aubes de turbines de moteurs à réaction et les nez de missiles. Souvent, les matières premières ne comprennent pas d'argiles.

Exemples de céramiques

• Porcelaine
• Porcelaine "dure", cuite à une température plus élevée.
• Porcelaine à pâte molle, cuite à une température plus basse : La porcelaine à l'os
• La faïence, qui est souvent fabriquée à partir d'argile, de quartz et de feldspath
• Grès

Classification des céramiques techniques

Les céramiques techniques peuvent également être classées en trois catégories de matériaux distinctes :

• Oxydes : alumine, zircone
• Non-oxydes : carbures, borures, nitrures, siliciures
• Composites : renforcés par des particules, combinaisons d'oxydes et de non-oxydes

Chacune de ces classes peut développer des propriétés de matériaux uniques.

Simulation de l'extérieur de la navette spatiale alors qu'elle chauffe à plus de 1 500 °C lors de sa rentrée dans l'atmosphère terrestre

Propriétés des céramiques

Propriétés mécaniques

Les matériaux céramiques sont généralement des matériaux à liaison ionique ou covalente, et peuvent être cristallins ou amorphes. Un matériau maintenu ensemble par l'un ou l'autre type de liaison aura tendance à se fracturer (casser) avant qu'une déformation plastique n'ait lieu, ce qui entraîne une mauvaise ténacité de ces matériaux. De plus, comme ces matériaux ont tendance à avoir beaucoup de pores, les pores et autres imperfections microscopiques agissent comme des concentrateurs de contraintes, ce qui diminue encore la ténacité et réduit la résistance à la traction. Ces éléments se combinent pour donner des défaillances catastrophiques, contrairement aux modes de défaillance normalement beaucoup plus doux des métaux.

Ces matériaux présentent effectivement une déformation plastique. Cependant, en raison de la structure rigide des matériaux cristallins, il existe très peu de systèmes de glissement permettant aux dislocations de se déplacer, et elles se déforment donc très lentement. Avec les matériaux non cristallins (vitreux), l'écoulement visqueux est la principale source de déformation plastique, et est également très lent. De ce fait, il est ignoré dans de nombreuses applications des matériaux céramiques.

Propriétés électriques

Semi-conducteurs

Il existe un certain nombre de céramiques qui sont des semi-conducteurs. La plupart sont des oxydes de métaux de transition qui sont des semi-conducteurs II-VI, comme l'oxyde de zinc.

Alors qu'il est question de fabriquer des LED bleues à partir d'oxyde de zinc, les céramistes s'intéressent surtout aux propriétés électriques qui montrent les effets de limite de grain. L'une des plus utilisées est la varistance.

Les céramiques semi-conductrices sont également utilisées comme capteurs de gaz. Lorsque divers gaz passent sur une céramique polycristalline, sa résistance électrique change. En s'adaptant aux mélanges de gaz possibles, on peut produire des dispositifs très bon marché.

Superconductivité

Dans certaines conditions, telles que des températures extrêmement basses, certaines céramiques présentent une supraconductivité. La raison exacte de ce phénomène n'est pas connue, mais il existe deux grandes familles de céramiques supraconductrices .

La ferroélectricité et ses parents

La piézoélectricité, un lien entre la réponse électrique et mécanique, se manifeste par un grand nombre de matériaux céramiques, dont le quartz utilisé pour mesurer le temps dans les montres et autres appareils électroniques. Ces dispositifs transforment l'électricité en mouvements mécaniques et inversement, ce qui en fait un oscillateur stable.

L'effet piézoélectrique est généralement plus fort dans les matériaux qui présentent également une pyroélectricité, et tous les matériaux pyroélectriques sont également piézoélectriques. Ces matériaux peuvent être utilisés pour effectuer une conversion entre l'énergie thermique, mécanique et/ou électrique ; par exemple, après synthèse dans un four, un cristal pyroélectrique que l'on laisse refroidir sans contrainte accumule généralement une charge statique de plusieurs milliers de volts. Ces matériaux sont utilisés dans les capteurs de mouvement, où la minuscule augmentation de température d'un corps chaud entrant dans la pièce est suffisante pour produire une tension mesurable dans le cristal.

La pyroélectricité se manifeste plus fortement dans les matériaux qui présentent également l'effet ferroélectrique, dans lequel un dipôle électrique stable peut être orienté ou inversé par l'application d'un champ électrostatique. La pyroélectricité est également une conséquence nécessaire de la ferroélectricité. Elle peut être utilisée pour stocker des informations dans des condensateurs ferroélectriques, éléments de la RAM ferroélectrique.

Les matériaux les plus courants sont le titanate de zirconate de plomb et le titanate de baryum. Outre les utilisations mentionnées ci-dessus, leur forte réponse piézoélectrique est exploitée dans la conception de haut-parleurs à haute fréquence, de transducteurs pour sonar et d'actionneurs pour les microscopes à force atomique et à balayage à effet tunnel.

Coefficient thermique positif

L'augmentation de la température peut faire en sorte que les joints des grains deviennent soudainement isolants dans certains matériaux céramiques semi-conducteurs, principalement des mélanges de titanates de métaux lourds. La température de transition critique peut être ajustée sur une large gamme par des variations de la chimie. Dans ces matériaux, le courant passe à travers le matériau jusqu'à ce que le chauffage par joule l'amène à la température de transition, moment auquel le circuit est interrompu et la circulation du courant cesse. Ces céramiques sont utilisées comme éléments chauffants autocontrôlés, par exemple dans les circuits de dégivrage des vitres arrière des automobiles.

À la température de transition, la réponse diélectrique du matériau devient théoriquement infinie. Alors qu'un manque de contrôle de la température exclurait toute utilisation pratique du matériau à proximité de sa température critique, l'effet diélectrique reste exceptionnellement fort même à des températures beaucoup plus élevées. C'est justement pour cette raison que les titanates dont la température critique est bien inférieure à la température ambiante sont devenus synonymes de "céramique" dans le contexte des condensateurs céramiques.

Classification des céramiques

Céramique non cristalline : Les céramiques non cristallines, qui sont des verres, ont tendance à être formées à partir de masses fondues. Le verre est formé soit lorsqu'il est complètement fondu, par coulée, soit lorsqu'il est dans un état de viscosité semblable à celui du caramel, par des méthodes telles que le soufflage dans un moule. Si des traitements thermiques ultérieurs font que cette classe devient partiellement cristalline, le matériau qui en résulte est connu sous le nom de vitrocéramique.

Céramique cristalline : Les matériaux céramiques cristallins ne se prêtent pas à une grande variété de traitements. Les méthodes pour les traiter appartiennent généralement à l'une des deux catégories suivantes : soit fabriquer la céramique dans la forme souhaitée, par réaction in situ, soit "former" des poudres dans la forme souhaitée, puis les fritter pour former un corps solide. Les techniques de mise en forme de la céramique comprennent le façonnage à la main (incluant parfois un processus de rotation appelé "throwing"), le moulage en barbotine, le moulage en bande (utilisé pour la fabrication de condensateurs céramiques très fins, etc.), le moulage par injection, le pressage à sec et d'autres variantes. (Voir aussi Techniques de formage de la céramique. Les détails de ces procédés sont décrits dans les deux livres énumérés ci-dessous). Quelques méthodes utilisent un hybride entre les deux approches.

Fabrication in situ

L'utilisation la plus courante de cette méthode est dans la production de ciment et de béton. Ici, les poudres déshydratées sont mélangées à de l'eau. Cela déclenche des réactions d'hydratation, qui aboutissent à la formation de longs cristaux imbriqués autour des agrégats. Au fil du temps, ces cristaux donnent une céramique solide.

Le plus gros problème de cette méthode est que la plupart des réactions sont si rapides qu'un bon mélange n'est pas possible, ce qui tend à empêcher la construction à grande échelle. Cependant, les systèmes à petite échelle peuvent être réalisés par des techniques de dépôt, où les différents matériaux sont introduits au-dessus d'un substrat, et réagissent et forment la céramique sur le substrat. Cette technique emprunte à l'industrie des semi-conducteurs des techniques telles que le dépôt chimique en phase vapeur, et est très utile pour les revêtements.

Ceux-ci ont tendance à produire des céramiques très denses, mais le font lentement.

Méthodes basées sur le frittage

Les principes des méthodes basées sur le frittage sont simples. Une fois qu'un objet grossièrement assemblé (appelé "corps vert") est fabriqué, il est cuit dans un four, où les processus de diffusion provoquent le rétrécissement du corps vert. Les pores de l'objet se referment, ce qui donne un produit plus dense et plus résistant. La cuisson se fait à une température inférieure au point de fusion de la céramique. Il reste pratiquement toujours une certaine porosité, mais le véritable avantage de cette méthode est que le corps vert peut être produit de toutes les manières imaginables, tout en étant fritté. Cela en fait une méthode très polyvalente.

Il existe des milliers d'améliorations possibles de ce processus. Certaines des plus courantes consistent à presser le corps vert pour donner une longueur d'avance à la densification et réduire le temps de frittage nécessaire. Parfois, des liants organiques tels que l'alcool polyvinylique sont ajoutés pour maintenir le corps vert en place ; ceux-ci brûlent pendant la cuisson (à 200-350 °C). Parfois, des lubrifiants organiques sont ajoutés pendant le pressage pour augmenter la densification. Il n'est pas rare de les combiner et d'ajouter des liants et des lubrifiants à une poudre, puis de la presser. (La formulation de ces additifs chimiques organiques est un art en soi. Ceci est particulièrement important dans la fabrication de céramiques de haute performance comme celles utilisées par milliards pour l'électronique, dans les condensateurs, les inductances, les capteurs, etc. Les formulations spécialisées les plus couramment utilisées en électronique sont détaillées dans le livre "Tape Casting", de R.E. Mistler, et al, Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000). Un livre complet sur le sujet, pour les applications mécaniques et électroniques, est "Organic Additives and Ceramic Processing", par D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Une boue peut être utilisée à la place d'une poudre, puis coulée dans une forme souhaitée, séchée puis frittée. En effet, la poterie traditionnelle se fait avec ce type de méthode, en utilisant un mélange de plastique travaillé à la main.

Si un mélange de différents matériaux est utilisé ensemble dans une céramique, la température de frittage est parfois supérieure au point de fusion d'un composant mineur - un frittage en phase liquide. Il en résulte des temps de frittage plus courts que pour le frittage à l'état solide.

Autres applications de la céramique

• Certains couteaux sont en céramique. La lame du couteau en céramique reste tranchante pendant beaucoup plus longtemps que l'acier, bien qu'elle soit plus fragile et qu'elle puisse être cassée en la faisant tomber sur une surface dure.

• Des céramiques telles que l'alumine et le carbure de bore ont été utilisées dans les gilets pare-balles pour repousser les balles. Des matériaux similaires sont utilisés pour protéger les cockpits de certains avions militaires, en raison du faible poids de ces matériaux.

• Les billes en céramique peuvent être utilisées pour remplacer l'acier dans les roulements à billes. Leur dureté plus élevée leur permet de durer trois fois plus longtemps. Elles se déforment également moins sous la charge, ce qui signifie qu'elles ont moins de contact avec les parois de la cage de roulement et peuvent rouler plus rapidement. Dans les applications à très grande vitesse, la chaleur due au frottement pendant le roulement peut causer des problèmes aux roulements métalliques, problèmes qui sont réduits par l'utilisation de la céramique. Les céramiques sont également plus résistantes aux produits chimiques et peuvent être utilisées dans des environnements humides où les roulements en acier rouilleraient. Le principal inconvénient de l'utilisation de la céramique est son coût élevé.

• Au début des années 80, Toyota a fait des recherches sur un moteur en céramique adiabatique pouvant fonctionner à une température de plus de 3 300 °C. Les moteurs en céramique ne nécessitent pas de système de refroidissement et permettent donc une réduction de poids importante et donc un meilleur rendement énergétique. Le rendement énergétique du moteur le plus chaud est également supérieur selon le théorème de Carnot. Dans un moteur métallique, une grande partie de l'énergie libérée par le carburant doit être dissipée sous forme de chaleur perdue afin de ne pas faire fondre les pièces métalliques. Malgré toutes ces propriétés souhaitables, de tels moteurs ne sont pas en production car la fabrication de pièces céramiques avec la précision et la durabilité requises est difficile. L'imperfection de la céramique entraîne des fissures, qui peuvent détruire le moteur, éventuellement par explosion. La production en série n'est pas possible avec la technologie actuelle.

• Les pièces en céramique pour les moteurs à turbine à gaz peuvent être pratiques. Actuellement, même les aubes en alliages métalliques avancés utilisées dans la partie chaude des moteurs nécessitent un refroidissement et une limitation soigneuse des températures de fonctionnement. Les moteurs à turbine fabriqués en céramique pourraient fonctionner plus efficacement, ce qui donnerait aux avions une plus grande autonomie et une charge utile plus importante pour une quantité de carburant déterminée.

• Les biocéramiques comprennent les implants dentaires et les os synthétiques. L'hydroxyapatite, le composant minéral naturel de l'os, a été fabriquée synthétiquement à partir d'un certain nombre de sources biologiques et chimiques et peut être transformée en matériaux céramiques. Les implants orthopédiques fabriqués à partir de ces matériaux se lient facilement à l'os et aux autres tissus du corps sans rejet ni réaction inflammatoire. C'est pourquoi ils présentent un grand intérêt pour l'acheminement des gènes et les échafaudages de génie tissulaire. La plupart des céramiques d'hydroxyapatite sont très poreuses et manquent de résistance mécanique. Elles sont utilisées pour revêtir les appareils orthopédiques métalliques afin de faciliter la liaison avec l'os ou comme matériau de remplissage osseux. Elles sont également utilisées comme matériaux de remplissage pour les vis plastiques orthopédiques afin de réduire l'inflammation et d'augmenter l'absorption de ces matières plastiques. Des travaux sont en cours pour fabriquer des matériaux céramiques d'hydroxyapatite nano cristalline, résistants et entièrement denses, pour les dispositifs orthopédiques de support de poids, en remplaçant les matériaux orthopédiques métalliques et plastiques étrangers par un minéral osseux synthétique, mais naturel. Ces matériaux céramiques peuvent finalement être utilisés comme substituts osseux ou avec l'incorporation de collagènes protéiques, des os synthétiques.

• La céramique de haute technologie est utilisée dans les boîtiers de montres. Ce matériau est apprécié pour sa légèreté, sa résistance aux rayures, sa durabilité et son toucher doux. IWC est l'une des marques qui ont initié l'utilisation de la céramique dans l'horlogerie.