Céramique technique

Pièces de roulements, composite Si₃N₄.

Surface d'une céramique composite.

La céramique technique est une branche de la science des matériaux traitant de la science et de la technologie de matériaux minéraux non métalliques ayant des applications industrielles ou militaires. Elle se distingue radicalement des créations artisanales (poterie) ou artistiques (céramique d'art) ainsi que des porcelaines à usage domestique. Cette discipline traite notamment de la recherche et du développement de céramiques présentant les propriétés physiques particulières, ce qui recouvre la purification de la matière première, l'étude et la production des composés chimiques nécessaires à la production du matériau fini, leur formation dans les constituants, et l'étude de leur structure, de leur composition et de leurs propriétés physiques et chimiques. Ces matériaux sont par exemple des oxydes, comme l'alumine Al₂O₃ et le dioxyde de zirconium ZrO₂ ; des non-oxydes, qui sont souvent des céramiques ultraréfractaires (carbures, borures, nitrures, céramiques composées de silicium et d'atomes tels que tungstène, magnésium, platine ou encore titane) ; des céramiques composites, qui sont des combinaisons des deux précédents.

Une céramique technique peut être entièrement cristalline ou partiellement cristallisée, avec une organisation à grande échelle au niveau atomique ; les céramiques vitreuses peuvent également avoir une structure amorphe dépourvue d'organisation à l'échelle atomique, ou avoir un degré d'organisation limité. L'ASTM définit une céramique comme « une pièce ayant un corps vitrifié ou non, de structure cristalline ou partiellement cristalline, ou en verre, dont le corps est formé de substances essentiellement minérales et non métalliques, et qui est formé par une masse en fusion qui se solidifie en se refroidissant, ou qui est formé et porté à maturité, en même temps ou ultérieurement, par l'action de la chaleur » ; on peut également ajouter un mode d'obtention à basse température par précipitation de solutions chimiques hautement purifiées, comme la synthèse hydrothermale (en) ou le procédé sol-gel.

Les propriétés particulières recherchées pour les céramiques techniques peuvent être par exemple de nature mécanique, électrique, magnétique, optique, piézoélectrique, ferroélectrique ou supraconductrice, ce qui rend compte de la très grande variété d'applications de ce type de matériaux, que ce soit en génie des matériaux, en génie électrique, en génie chimique et en génie mécanique. Les céramiques étant thermostables, elles peuvent remplir des fonctions auxquelles les polymères et les métaux sont impropres. C'est la raison pour laquelle ont les retrouve dans des domaines aussi variés que l'industrie minière, l'industrie aérospatiale, la médecine, l'industrie agroalimentaire, l'industrie chimique, l'industrie des semiconducteurs, l'industrie nucléaire, le transport de l'électricité et les guides d'ondes électromagnétiques.

Propriétés notables

Les objets en céramique possèdent généralement une grande résistance mécanique, une faible masse volumique, une dureté élevée et une grande résistance à l'usure. Cependant, de petites imperfections dans la céramique, notamment de petites fissures dues à un frittage incomplet, peuvent rendre ces matériaux fragiles.

Les céramiques demeurent solides même à haute température, résistent aux chocs thermiques (comme les « tuiles » de la navette spatiale américaine) et ont une forte résistance au vieillissement et aux agressions climatiques ou chimiques. Elles ont généralement une conductivité thermique faible. Elles sont opaques (céramiques cristallines) ou translucides (verres amorphes). Ce sont d'excellents isolants électriques et sont utilisées par exemple comme isolateurs pour circuit électrique ou ligne à haute tension. Dans certaines conditions, notamment des températures très basses (quelques dizaines de kelvins), certaines céramiques deviennent supraconductrices.

Les céramiques sont sans danger pour l'homme et pour l'environnement, et nombreuses sont celles qui sont biocompatibles. Elles sont entre autres utilisées pour les équipements sanitaires, médicaux ou alimentaires et horloger.

Structure

Dans les céramiques, les liaisons entre atomes ont un caractère iono-covalent. Les liaisons ioniques ne sont pas directionnelles, elles tendent à maximiser les attractions coulombiennes et minimiser les répulsions isocharges ce qui conduit à des arrangements d'anions et de cations très compacts ; les liaisons covalentes sont directionnelles et conduisent quant à elles à des arrangements atomiques moins compacts. Le caractère plutôt ionique ou plutôt covalent d'une liaison atomique dépend de la différence d'électronégativité des éléments formant la céramique : d'une manière générale, plus la différence d'électronégativité est grande, plus la liaison est ionique ; plus cette différence est faible, et plus la liaison est covalente. Ainsi, le fluorure de calcium CaF₂ est ionique à 89 %, tandis que le carbure de silicium SiC ne l'est qu'à 12 % alors que la silice SiO₂ est ionique à 51 %.

Synthèse

Différentes méthodes existent, elles diffèrent de par le milieu « sec » ou « humide », les conditions expérimentales, la mise en forme souhaitée.

Méthodes par voie sèche

Méthode céramique conventionnelle

C'est une réaction en phase solide à haute température donc par voie sèche. Le but est d'obtenir à partir d'un mélange de composés solides en poudre, en proportion stœchiométriques, un nouveau produit par un traitement thermique approprié. Cette technique sert plutôt à la réalisation de pièces massives, minimum de l'ordre du millimètre en épaisseur.

1. Réaction chimique : deux oxydes naturels sont broyés et mélangés à température élevée (~1 200 °C) mais en dessous de leur température de fusion, les poudres étant solides, la réaction se passe à la surface de contact entre particules.
2. Frittage : processus physico-chimique par lequel la poudre de fines particules est densifiée en dessous de sa température de fusion en un matériau massif, résistant et plus ou moins compact. Le frittage est nécessaire parce que la température de fusion des céramiques est très haute (jusqu'à 2 000 °C voire bien au-delà), la mise en forme ne peut donc pas se faire par coulée ou moulage de matière fondue ; de plus leur déformation plastique est faible ce qui rend le forgeage et le laminage difficiles. Cette synthèse nécessite plusieurs étapes techniques :
3. Préparation des poudres : c'est un travail de diffusion et dispersion des poudres par mélangeage et broyage. Il permet d'améliorer la granulométrie et d'homogénéiser la poudre de départ.
4. Mise en forme : processus servant à consolider les poudres. Suivant la mise en forme désirée et l'état, sec ou humide, du matériau il faut choisir entre plusieurs techniques de façonnage : pressage, extrusion, injection, coulage... Mises en formes détaillées plus bas.
5. Traitement thermique : peut dans un premier temps conduire au déliantage, décarbonatation, élimination d'eau additionnelle si nécessaire. Il provoque des transformations physico-chimiques qui modifient la nature des phases en présence et la microstructure du matériau ce qui permet de densifier les poudres et obtenir la phase désirée. Le frittage est un phénomène particulier dû au traitement thermique.
6. Finition : usinage, polissage, revêtement.

Exemples :

MgO + Fe₂O₃ ⟶ MgFe₂O₄Magnésioferrite ;

BaCO₃ + TiO₂ ⟶ BaTiO₃ + CO₂ ↑.

Ablation laser

Ces techniques permettent la réalisation de couches très minces de l'ordre du nanomètre.

Méthodes par voie humide

Précipitation simultanée en solution

Le travail de diffusion nécessaire est moindre que pour la méthode céramique^[pas clair] les températures et les durées du traitement thermique sont donc plus faibles. De plus la taille et la morphologie des poudres formées peuvent être contrôlées. Ce sont des avantages certains sur la méthode solide conventionnelle. Ces techniques permettent la réalisation de couches minces de l'ordre du micromètre.

Coprécipitation d'hydroxydes

Cette technique consiste à faire coprécipiter des précurseurs en phase aqueuse, sels métalliques, par action d'une base. Les précipités sont de la forme M₁M₂(OH)_x·zH₂O. L'eau est ensuite éliminée par traitement thermique.

• Exemple 1 : préparation du ferrite de cobalt CoFe₂O₄ :
  • Coprécipitation de chlorures métalliques par action de l'hydroxyde de sodium NaOH :

  CoCl₂ + 2 FeCl₃·6H₂O + 6 NaOH ⟶ Co(OH)₂ + 2 Fe(OH)₃ + 6 NaCl + 6 H₂O ;

  • Traitement thermique (700 °C vs 1 200 °C pour la méthode céramique) :

  Co(OH)₂ + 2 Fe(OH)₃ ⟶ CoFe₂O₄ + 4 H₂O.

• Exemple 2 : préparation du ferrite spinelle mixte Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄
  • Coprécipitation de chlorures métalliques par action de la soude :

  0,5 NiCl₂·6H₂O + 0,5 ZnCl₂ + 2 FeCl₃·6H₂O + 8 NaOH ⟶ 0,5 Ni(OH)₂ + 0,5 Zn(OH)₂ + 2 Fe(OH)₃ + 8 NaCl + 12 H₂O ;

  • Traitement thermique (700 °C) :

  0,5 Ni(OH)₂ + 0,5 Zn(OH)₂ + 2 Fe(OH)₃ ⟶ Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄ + 4 H₂O.

• Importance du pH : il faut se placer à un pH auquel les hydroxydes métalliques coexistent, dans le cas présent pH de 9-10, sinon il n'y a pas précipitation.

Coprécipitation d'oxalates

Coprécipitation d'oxalates métalliques par action de l'acide oxalique HOOC–COOH. Les précipités sont de la forme M₁M₂(C₂O₄)_x·zH₂O. L'eau et les oxalates sont ensuite éliminés par traitement thermique.

• Exemple :
  • Coprécipitation de chlorures métalliques par action de l'acide oxalique :

  TiCl₃Chlorure de titane(III) + BaCl₂·2H₂O + 3 H₂O + 2 H₂(C₂O₄) ⟶ BaTiO(C₂O₄)₂·4H₂O + 6 HCl.

  • Traitement thermique (700 °C contre 1 200 °C pour la méthode céramique) :

  BaTiO(C₂O₄)₂·4H₂O ⟶ BaTiO₃ + 2 CO₂ ↑ + 2 CO ↑.

Méthode sol-gel

Le procédé sol-gel permet de fabriquer un polymère inorganique par des réactions chimiques simples et à une température proche de la température ambiante (20 à 150 °C). La synthèse est effectuée à partir d'alcoolates de formule M(OR)_n où M est un métal ou le silicium et R un groupement organique alkyle C_nH_2n+1. Un des intérêts de ce procédé est que ces précurseurs existent pour un grand nombre de métaux et non-métaux. Ils sont soit liquides soit solides, dans ce cas ils sont, pour la plupart, solubles dans des solvants usuels. Il est donc possible de préparer des mélanges homogènes des monomères (précurseurs) ou oligomères. Les réactions chimiques simples à la base du procédé sont déclenchées lorsque les précurseurs sont mis en présence d’eau : l'hydrolyse des groupements alcoxyles intervient tout d’abord, puis la condensation des produits hydrolysés conduit à la gélification du système. Le procédé sol-gel permet de mettre le matériau final sous diverses formes, parmi lesquelles les monolithes (matériaux massifs de quelques mm³ à quelques dizaines de cm³) et les films minces (de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres d'épaisseur).

• Exemple : Synthèse de dioxyde de silicium SiO₂ par procédé sol-gel.
  • Hydrolyse :

  Si(OR)₄ + 4 H₂O ⟶ Si(OH)₄Acide orthosilicique + 4 ROH.

  • Condensation :
    • Par alcoxolation :

  Si(OH)₄Acide orthosilicique + Si(OR)₄ ⟶ 2 SiO₂ + 4 ROH.

  • • Par oxolation :

  2 Si(OH)₄Acide orthosilicique ⟶ 2 Si(O₂)₂ + 4 H₂O.

Mise en forme

Mise en forme à partir d'une poudre

Pressage uniaxial

La poudre est compactée dans une matrice rigide à l'aide d'un poinçon. Le moule de pressage est métallique et les parties en contact avec la poudre peuvent être traitées pour résister à l'abrasion et à la corrosion. Cette technique conduit à la réalisation de pièces de forme simple (joints, bagues...).

Pressage isostatique

La poudre est compactée dans un sac flexible maintenu par un moule support rigide. L'application de la pression se fait par l'intermédiaire d'un fluide à base d'huile et d'eau. Cette technique conduit à la réalisation de pièces de forme complexe (tubes, bougies d'allumage...).

Mise en forme à partir d'une pâte plastique

Schéma simplifié de la technique d'extrusion. 1 : Vis, 2 : pâte plastique à mettre en forme, 3 : fente à taille réglable, 4 : matériau mis en forme.

Extrusion

La pâte préalablement plastifiée et désaérée, est poussée à travers une filière de géométrie donnée à l'aide d'une vis. Après extrusion, les pièces sont coupées à la longueur désirée, puis subissent les traitements appropriés. Cette technique conduit à la réalisation de pièces à forme complexe et de grandes dimensions (tubes, tuyaux...).

Moulage par injection

Le mélange fluidifié est introduit dans un moule ayant la forme de la pièce à fabriquer. Le mélange thermofusible est chauffé dans une enceinte puis forcé à travers une buse dans le moule dont la température est inférieure au point de fusion du mélange. Après solidification, par abaissement de la température, la pièce est éjectée du moule. Cette technique conduit à la réalisation de pièces de forme simple ou complexe en série dont l'épaisseur maximale est de 1 cm.

Mise en forme à partir d'une pâte liquide

Coulage en moule poreux

Le mélange est versé dans un moule ayant la forme de la pièce à fabriquer. La pièce est laissée se solidifier. Cette technique conduit à la réalisation de pièces volumineuses.

Coulage sous pression

Une pression est appliquée à la suspension de coulage dans un moule poreux. Le gradient de pression force le fluide à travers le moule poreux et à travers la couche en formation, ce qui permet de diminuer le temps de prise de la suspension par rapport au coulage classique. Cette technique, particulièrement utilisée dans le domaine des céramiques traditionnelles conduit à la réalisation de pièces volumineuses. La productivité peut être élevée.

Mise en forme de couches minces

Étapes du dip coating.

Étapes de l'enduction centrifuge (ou spin coating).

L'enduction se fait notamment à partir d'une pâte liquide issue du procédé sol-gel.

Enduction par trempage

L'enduction par trempage (dip coating en anglais) est une technique de mise en forme de couches minces, elle consiste à immerger le substrat de la pièce dans une cuve contenant la céramique en pâte liquide, extraire la pièce de la cuve et laisser s'écouler la couche. La pièce enrobée est ensuite séchée. Le processus de dip coating se fait donc généralement en trois étapes :

• Immersion : le substrat est immergé dans la solution, contenant le matériau à mettre en forme, à une vitesse constante et préférablement sans secousses.
• Le temps de séjour : le substrat est laissé complètement immergé et immobile pour permettre au matériau de bien s'y appliquer et l'enrober.
• L'extraction : le substrat est extrait, de nouveau à vitesse constante et sans secousses. La vitesse d'extraction influe sur l'épaisseur de la couche : l'épaisseur de la couche est d'autant plus fine que la vitesse d'extraction du substrat est grande, mais elle dépend aussi de la concentration de soluté et du solvant.

Enduction centrifuge

L'enduction centrifuge (spin coating en anglais) est une technique de mise en forme de couches minces. Elle consiste à poser un excès de matériau (en solution) à mettre en forme sur le substrat un wafer de semi-conducteur en général, et à faire tourner ensuite le tout à haute vitesse pour étaler le fluide sur toute la surface par centrifugation. La rotation continue pendant que le fluide dépasse les bords du substrat, jusqu'à ce que la couche ait l'épaisseur voulue. Par conséquent, l'épaisseur de la couche est d'autant plus fine que la vitesse de rotation est élevée, mais elle dépend aussi de la concentration de soluté et du solvant.

Oxydes technologiques

Les oxydes technologiques sont composés majoritairement d'éléments métalliques et d'oxygène, comme l'alumine Al₂O₃, l'oxyde de fer(III) Fe₂O₃, les spinelles MgAl₂O₄ et CoFe₂O₄, le titanate de baryum BaTiO₃, le dioxyde de titane TiO₂, etc.

Oxydes à propriétés magnétiques

Ce sont des oxydes technologiques présentant des propriétés magnétiques ou ferromagnétiques. La première céramique magnétique à avoir été découverte est l'oxyde de fer(II,III) Fe₃O₄, ou magnétite.

Structure

Structure cristalline du spinelle MgAl₂O₄, vue le long de la direction [110]. Les atomes de magnésium sont représentés en jaune, ceux d'aluminium en gris et ceux d'oxygène en rouge. Les bords noirs représentent la maille élémentaire.

La structure la plus commune des oxydes technologiques à propriétés magnétiques est la structure spinelle où les anions forment un empilement compact de géométrie cubique à faces centrées ou hexagonal compact et les cations se placent dans les lacunes tétraédriques ou octaédriques selon leur taille. Elle est de la forme A(B)₂O₄ avec en rouge les métaux occupant les sites tétraédriques et en vert ceux octaédriques. Il existe deux types de structures spinelles :

• Spinelle directe : A²⁺(B³⁺)₂O₄. Exemple : MgAl₂O₄, Mg²⁺(Al³⁺)₂O₄.
• Spinelle inverse : A³⁺(B²⁺A³⁺)O₄. Exemple : CoFe₂O₄, Fe³⁺(Co²⁺Fe³⁺)O₄.

Origine des propriétés magnétiques

Schéma simplifié du couplage antiferromagnétique des cations des sites tétraédriques et octaèdriques via l'oxygène.

Le magnétisme de ces matériaux a pour origine le moment magnétique porté par les atomes, qui a deux composantes : le moment magnétique de spin et le moment cinétique orbital.

Chaque cation métallique porte un moment magnétique dû au spin de ses électrons de valence. Par exemple, le fer ferrique Fe³⁺ est un métal de type d⁵ et à haut spin, ce qui fait que son moment magnétique vaut de l'ordre de 5µ_B, où µ_B est le magnéton de Bohr. Or à cet effet s'ajoute l'effet du superéchange qui résulte du couplage antiferromagnétique induit par l'oxygène entre les cations dans les lacunes tétraédriques et ceux dans les lacunes octaédriques. Ce couplage est antiferromagnétique parce que l'oxygène implique que les spins de ces deux types de cations soient opposés. Mais la valeur absolue des deux moments magnétiques cationiques n'étant pas identique, le moment magnétique résultant n'est pas nul, par conséquent le matériau est magnétique.

Exemple de la magnétite Fe₃O₄. Sa structure est de type spinelle inverse Fe³⁺(Fe²⁺Fe³⁺)O₄. Le moment magnétique du fer ferrique Fe³⁺ vaut 5µ_B, tandis que celui du fer ferreux Fe²⁺ vaut 4µ_B. À cause du superéchange, le moment magnétique total vaut (5 + 4 – 5) µ_B = 4 µ_B, car les moments magnétiques des deux types de cations sont opposés.

Applications

Les applications des oxydes technologiques à propriétés magnétiques dépend en particulier de leur mise en forme.

• Couches minces : enregistrement magnétique (bandes magnétiques...)
• Films minces : stockage information (disque durs, CD...)

Oxydes à propriétés piézoélectriques

Les oxydes technologiques présentant des propriétés piézoélectriques, ont la caractéristique de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Il y a l'effet direct et l'effet indirect, les deux sont indissociables.

• Effet piézoélectrique direct : une action mécanique induit une tension électrique.
• Effet piézoélectrique inverse : une tension électrique induit une action mécanique.

Un cristal piézoélectrique est ferroélectrique s'il garde sa polarisation électrique après application d'un champ électrique. Très peu de matériaux sont ferroélectriques.

Structure

Exemple de structure pérovskite cubique : BaTiO₃ à haute température.

La structure la plus commune des oxydes technologiques à propriétés piézoélectriques est un réseau cristallin orthorhombique formé par des octaèdres d'anions à l'intérieur desquels est emprisonné un cation relativement petit ; 8 de ces octaèdres forment un cube possédant une lacune au centre de laquelle est emprisonné un autre cation relativement grand. Ce type de structure s'appelle : pérovskite. Un exemple est BaTiO₃ dont la structure cristalline est illustrée ci-contre.

La figure proposée est une représentation schématique de la structure de BaTiO₃ à haute température. La taille des ions n'est donc pas respectées afin de pourvoir visualiser clairement le polyèdre de coordination du Titane. Le rayon de l'anion (oxygène sous la forme O^2-) est en réalité le plus grand.

Origine des propriétés piézoélectriques

Sans déformation, la structure pérovskite ne possède pas de moment électrique car les anions et les cations sont disposés de manière symétrique, les cations sont au centre de leurs sites. Lorsque le réseau est déformé, par pression mécanique par exemple, les cations des lacunes octaèdriques sont décentrés, ce qui induit un moment électrique et donc une tension.

Applications

Les oxydes technologiques piézoélectriques sont utilisés dans des capteurs (de pression, de température, microphones, microbalances...) dans des actionneurs ou moteurs (microscopie à force atomique, microscopie à effet tunnel, optique adaptative en astronomie, autofocus dans les appareils photographiques, têtes d'écriture des imprimantes à jet d'encre...).

Les oxydes technologiques ferroélectriques sont utilisés pour le stockage de l'information.

Oxydes à propriétés électriques

Les oxydes technologiques diélectriques servant comme isolants électriques par exemple.

Oxydes à propriétés optiques

Deux grands types : photocatalyseurs (ex. : TiO₂) et cristaux photoniques.

Applications

• Photocatalyseurs : utilisés pour la catalyse en dépollution. Par exemple une couche de TiO₂ peut être déposée sur les bâtiments vitrés pour éviter la salissure car il est très oxydant, ou sur un miroir pour éviter l'effet de buée car il a un très bon mouillage par l'eau.
• Cristaux photoniques : ils permettent de créer un gradient d'indice de réfraction.

Méthodes de caractérisation

Les méthodes de caractérisation des céramiques, de la poudre initiale au produit fritté, sont nombreuses : les techniques d'analyse de surface (RX, MEB, MET, MFA...), la mesure de la granulométrie, la surface spécifique, la densité, la porosité, la résistance mécanique, les mesures rhéologiques et les analyses thermiques.

Diffraction des rayons X

C'est une technique d'analyse basée sur la diffraction des rayons X sur la matière. Elle permet, dans le cas des céramiques, de savoir si on a obtenu la phase désirée et si la réaction a bien eu lieu.

Microscopie électronique à balayage (MEB)

C'est une technique de microscopie électronique basée sur le principe des interactions électrons-matière. Elle permet, dans le cas des céramiques, de connaître la morphologie de la surface et de savoir si le frittage a eu lieu. Elle permet de voir par ailleurs que le frittage n'est jamais complet et qu'il reste toujours des microfissures appelées porosité résiduelle entre les plaques consolidées, ce qui rend les objets faits par voie céramique conventionnelle, cassants.

Microscopie électronique en transmission (MET)

C'est une technique de microscopie où un faisceau d'électrons est « transmis » à travers un échantillon très mince, elle est donc particulièrement indiquée pour l'analyse des céramiques en couches très minces issues de l'ablation laser par exemple.

Microscopie à force atomique (MFA)

C'est une technique de microscopie à champ proche, une sonde scanne la surface et est attirée ou repoussée selon la charge de la surface. Elle est donc particulièrement appropriée pour analyser les couches minces des oxydes à propriétés magnétiques.

Utilisations

Part de marché mondial en 1992

Propriété fonctionnelle	Valeur (MF)
Diélectrique	38 000
Mécanique	6 000
Thermique	800
Chimique	5 000
Total	50 000

Leur faible conductivité thermique font qu'elles sont utilisées comme isolants thermiques ou matériaux réfractaires, comme dans les tuiles du bouclier thermique des navettes spatiales ou dans l'aviation, pour recouvrir par exemple la structure métallique des aubes des turbines.

Dans les années 1980, l'entreprise Toyota a mis au point un moteur en céramique pouvant supporter une température supérieure à 3 300 °C. Ce type de moteur n'a pas besoin d'être refroidi, il permet un gain de rendement et de poids très important par rapport aux moteurs à combustion interne classiques. Cependant, il n'est pas produit en grande série du fait de nombreuses difficultés industrielles (notamment du fait du degré de pureté nécessaire).

Les propriétés optiques de certaines céramiques permettent leur utilisation dans les lampes à vapeur métallique, dans des lasers, ainsi que dans des détecteurs infrarouge. Leur inertie chimique et leur bio-compatibilité en font des candidats valables pour les prothèses chirurgicales et dentaires. Les propriétés des céramiques peuvent également être utilisées pour réduire les frottements entre pièces mécaniques (roulements à billes céramiques par exemple) ou encore détecter des gaz, de l'humidité, agir comme catalyseur ou réaliser des électrodes.

Exemples de matériaux céramiques

Pour les applications dans les domaines du frottement et de l'usure, voir le chapitre détaillé du Wikilivre de tribologie consacré aux matériaux utilisables pour le frottement.

• alumine (oxyde d'aluminium Al₂O₃) : bonne tenue mécanique aux températures élevées, bonne conductivité thermique, grande résistivité électrique, grande dureté, bonne résistance à l'usure, inertie chimique.

Applications : isolateurs électriques, supports d'éléments chauffants, protections thermiques, éléments de broyage, composants mécaniques, bagues d'étanchéité, prothèses dentaires.

• nitrure de silicium Si₃N₄ : grande dureté, bonne résistance à l'usure et à l'abrasion, bonne inertie chimique, bonne résistance aux chocs thermiques. Il existe deux types de nitrure de silicium : lié par nitruration de poudre de silicium comprimée ou par pressage de la poudre de nitrure de silicium à température élevée (frittage).

Applications : poudres abrasives, outils de coupe, réfractaire pour la sidérurgie, billes de roulement, bagues d'étanchéité pour le moulage des métaux, soupapes (automobile).

• sialon : solution solide de nitrure de silicium, de nitrure d'aluminium et de d'oxyde d'aluminium.

• carbure de bore B_4C.

Applications : blindage des tanks et des hélicoptères.

• carbure de silicium ou carborundum SiC : grande dureté, bonne résistance aux chocs thermiques, grande conductivité thermique, faible dilatation thermique, excellente inertie chimique.

Applications : réfractaires, résistances chauffantes, outils de coupe, pièces de frottement, joints d'étanchéité des pompes à eau, support de catalyseur.

• cordiérite (silicate alumineux ferro-magnésien) : bonne résistance aux chocs thermiques, bonne conductivité thermique.

Applications : isolants électriques, échangeurs thermiques, éléments chauffants

• mullite Al₆Si₂O₁₃ : bonne résistance aux chocs thermiques, conductivité thermique faible, résistivité électrique importante.

Applications : produits réfractaires.

• nitrure d'aluminium AlN : conductivité thermique élevée, bonne résistance électrique, transparent aux longueurs d'onde du visible et de l'infra-rouge.

Applications : circuits imprimés, colonnes thermiques, fenêtres pour radar, creusets pour la fonderie.

• zircone (oxyde de zirconium ZrO₂) : excellentes propriétés mécaniques aux températures élevées, conductivité thermique faible à température ambiante, conducteur électrique à T > 1 000 °C, grande dureté, bonne résistance à l'usure, bonne inertie chimique, bonne résistance aux attaques des métaux. Il existe deux types : zircone non stabilisée, utilisée en tant qu'additif, matériau de revêtement, poudre abrasive... et zircone stabilisée à l'yttrium (ZrO₂/Y₂O₃ = TZP) ou à la magnésie (ZrO₂/MgO = PSZ).

Applications : creusets, buses de coulée, éléments chauffants, revêtement anti-thermique, conducteurs ioniques, prothèses dentaires.

• nitrure de bore NB : haute conductivité thermique, faible dilatation thermique, excellente résistance aux chocs thermiques, haute résistance diélectrique, faible constante diélectrique, inerte chimiquement, transparent aux micro-ondes, facilement usinable.

Applications : isolants électriques à très hautes températures, creusets pour la fonderie, garnitures de fours, gaines de thermocouples, supports de résistances, lubrifiant à haute température.

• borure d'aluminium AlB₂.

Applications : matériau de renforcement dans les composites métalliques.

• oxyde de magnésium MgO : résistance aux métaux fondus, bonne résistance mécanique.

Applications : traitement des matériaux piézoélectriques, réfractaires, composants optiques.

• oxyde de zinc ZnO.

Applications : utilisé dans les diodes pour ses propriétés électriques. Voir Varistance.

• oxyde magnétique de fer Fe₃O₄.

Applications : utilisé dans les transformateurs et le stockage magnétique des données.

• pérovskites : elles constituent une vaste famille de matériaux cristallins de formule (A)(B)O₃ comme BaTiO₃, CaTiO₃, SrTiO₃ ou (PbSr)TiO₃, Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃ : Applications : diélectriques pour la fabrication de condensateurs multicouches, thermistances, transducteurs piézoélectriques...

• stéatite (silicate de magnésium (SiO₄)Mg₂) : bonne résistivité électrique.

Applications : isolants électriques.

• silicates d'aluminium (argiles).

Applications :

céramiques du bâtiment : briques, tuiles, carreaux, éviers, bacs à douches, cuvette de WC, tuyaux...

céramiques des arts de la table, terre cuite, faïence, grès, porcelaine, assiettes, bols, plats...

céramiques artistiques : sculptures, terres cuites, vases, lampes...

• oxyde d'uranium UO₂.

Applications : combustible dans les réacteurs nucléaires.

• les verres, les émaux, certains types de ciments et de liants hydrauliques, sont souvent associés aux céramiques à cause de leurs propriétés et de leurs utilisations très comparables.

Centres de formation et de recherche

• École nationale supérieure de céramique industrielle de Limoges
• Lycée professionnel de la Céramique de Longchamp
• Lycée Henri Brisson ex ENP de Vierzon
• Lycée des Métiers Le Mas Jambost de Limoges
• Centre de Transfert de Technologies Céramiques, centre de recherche appliquée
• Pôle de compétitivité européen de la céramique (Limoges, Vierzon, Tarbes, Cavaillon)

Voir aussi

Articles connexes

• Composite à matrice céramique
• Céramique ultraréfractaire
• Céramique
• Porcelaine
• École nationale supérieure de céramique industrielle
• Mousse céramique

Bibliographie

• (en) Roger H. Mitchell, Perovskites : Modern and ancient, Thunder Bay, Almaz Press, 2002, 318 p. (ISBN 978-0-9689411-0-2)

Liens externes

• Historique de la céramique, cours ENSCI
• Le Syndicat des Industriels des Céramiques Techniques (SICT)