Chapitre 2 Céramiques - moodle.uphf.fr€¦ · ØLes premières céramiques datent de ~26000 av....

IUT Mesures Physiques 1ère année

Les céramiques

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Ø Les premières céramiques datent de ~26000 av. J.-C.

- Vénus de Dolni-Vestonice (Tchécoslovaquie, Argile et cendres d’os, T < 900 °C)

Ø Découvertes réparties sur l’ensemble du globe

- ~ 12000 av. J.-C., Japon, traces carbonées qui attestent de l’usage pour la cuisson

- 7000 - 6000 av. J.-C., Jordanie, statuettes de plâtre, décor : chaux, ocre, charbon de bois, bitume et dioptase (silicate de cuivre hydraté, vert)

- 4000 av. J.-C., Iran, terre cuite, surface décorée

Ø Artisanat vers 8000 av. J.-C. à partir de la sédentarisation des peuples

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1. Historique


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Ø Les progrès sont lents- Secrets de fabrication jalousement gardés- Processus complexes et mal maîtrisés

Ø Porcelaine découverte en Chine ~1000 av. J.-C. - Ramené en Europe par Marco Polo au XIIe siècle- 1ère porcelaine au XVIe siècle en Italie et au XVIIIe en France

Ø Les poteries grecques présentent des décors noir et rouge

- Argile riche en Fe- La couleur de la terre cuite dépend du degré d’oxydation du fer- Recuit en atmosphères variables

Ø XXe siècle : chimie et électricité améliorent les connaissances et la qualité des céramiques

1. Historique

IUT Mesures Physiques 1ère année 4

2. Définitions

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Le terme « céramique » provient du mot grec « keramos » signifiant « matière cuite ».

Une céramique est un matériau inorganique de synthèse, non métallique, obtenu par un procédé de consolidation thermique, appelé « frittage », de poudres pures ou mélangées.

Les composés céramiques combinent métal et non-métal

→ Oxydes, nitrures, borures, halogénures,…


2. Définitions

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Le terme « céramique » provient du mot grec « keramos » signifiant « matière cuite ».

Une céramique est un matériau inorganique de synthèse, non métallique, obtenu par un procédé de consolidation thermique, appelé « frittage », de poudres pures ou mélangées.


2. DéfinitionsØ Les céramiques traditionnelles

base : argiles = silicates d’alumine hydratés

ex : Si2O5Al2(OH)4Si4O10Al5/3Mg1/3Na1/3(OH)2KAl2(AlSi3O10)(OH)2

teneur en eau ì



base : argiles = silicates d’alumine hydratés

ex : Si2O5Al2(OH)4Si4O10Al5/3Mg1/3Na1/3(OH)2KAl2(AlSi3O10)(OH)2

teneur en eau ì

pâte plastique facile à travailler


2. Définitions

Faïence (porosité élevée) Porcelaine (faible porosité)

émail

pore

phase vitreuse

quartz

Q = quartz : SiO2A = alumine : Al2O3

M = mullite : 3Al2O3-2SiO2

Ø Les céramiques traditionnelles


• Un matériau est dit réfractaire lorsqu’il résiste à des températures supérieures à 1500°C environ, sans modification notable de ses propriétés chimiques ou physiques.→ pas de modification des matériaux avec lesquels il se trouve en contact→ résistance aux variations de température et aux chocs thermiques→ conductivité thermique parfaitement contrôlée.

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2. DéfinitionsØ Les réfractaires

• Poudres d’oxydes, de nitrures… peu purifiées et grossières (≈ 100µm → plrs mm)

• Principal secteur d’utilisation : sidérurgie

• Autres domaines : production chaux et ciments, verrerie, fours incinération ordures ménagères, tuiles navette spatiale…


2. DéfinitionsØ Les réfractaires


2. DéfinitionsØ Les céramiques techniques ou néocéramiques


2. Définitions


2. DéfinitionsØ Les céramiques techniques ou néocéramiques


3. Procédés de fabrication


SynthèseEx1 : procédé Bayer → alumine Al2O3

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Matières premières

Kaolins = argiles blanches



Matières premières Synthèse


Ex1 : procédé Bayer → alumine Al2O3Ex2 : procédé sol-gel → oxydes Al2O3, SiO2, TiO2…

eau +

catalyseur





eau +

catalyseur

1ère étape : hydrolyse






eau +

catalyseur

1ère étape : hydrolyse

2ème étape : condensation






eau +

catalyseur




concassage broyage

Ø Traitement des poudres




tamisage




contrôle granulométrique




caractérisation de la surface spécifique

= superficie réelle de la surface d'un objet par opposition à sa surface apparente




caractérisation de la morphologie



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• Ajout de dispersants• Ajustement du pH• Ultrasons

ü Barbotineü Pâte

ü Séchage de la barbotine par atomisation



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atomisation

granulats calibrés



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atomisation

granulats calibrés



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3. Procédés de fabrication Ø Mise en forme

pressage



extrusion



moulage par injection



coulage en moule



coulage en bande



freeze-casting


3. Procédés de fabrication Ø Frittage

ü Frittage en phase solide : les constituants restent à l’état solide tout au long du frittage

ü Frittage en phase liquide : formation d'un liquide visqueux (généralement eutectique à bas point de fusion) qui remplit plus ou moins complètement les espaces poreux du compact initial (ex: porcelaines). La densification se produit principalement par mise en solution et reprécipitation du solide

ü Frittage réactif : deux ou plusieurs constituants entrent en réaction pendant le frittage. La densification se fait par reprécipitation du nouveau composé

Passage d’un compact pulvérulent à un matériau dense sous l’effet de la chaleur



Passage d’un compact pulvérulent à un matériau dense sous l’effet de la chaleur

§ Conservation de la forme de la pièce

§ Diminution de son volume : phénomène de retrait



Stade initial du frittage = formation des cous


Stade intermédiaire du frittage = fermeture de la porosité

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Stade final du frittage = élimination de la porosité fermée et grossissement des grains

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4. Microstructure des céramiques

• grains

• joints de grains

• pores

• différentes phases

• défauts

taille moyenne, dispersion de taille, forme,…

structure fine, ségrégations chimiques, désaccord d’orientation,…

taille moyenne, coordinence, dispersion de taille, interconnexion : pores ouverts ou fermés, localisation : inter ou intragranualires

composition chimique, structure : cristallisée ou amorphe, quantités respectives, interconnexion, localisation,…

nature, caractéristiques, sévérité vis-à-vis d’une propriété donnée,…


5. Propriétés des céramiques• Mécaniques

Dureté élevée

Comportement fragile (pas de domaine ductile)

Faible résistance aux chocs thermiques

• Thermiques

Résistance aux températures élevées (comportement réfractaire)

Faible conductivité thermique (pour les oxydes)

Faible coefficient de dilatation thermique

• ElectriquesPrincipalement des isolants

Supraconducteurs à haute température critique, SC, conducteurs ioniques

• ChimiquesRésistance à la corrosion même à haute température

• PhysiquesFaibles masses volumiquesTempératures de fusion élevées

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