Céramiques techniques

Présentation générale



Les céramiques techniques sont constituées de phases inorganiques et non métalliques, avec des liaisons essentiellement iono-covalentes, pas complètement vitreuses et généralement consolidées par frittage d'un compact pulvérulent sous la forme de l'objet recherché.
Ces composés contiennent à la fois des éléments métalliques (Al, Mg, Zr, etc.) et non métalliques (O, N, C, B, etc.) donnent ainsi des oxydes, des carbures, des nitrures, des borures, etc.

Les matériaux céramiques sont généralement durs et cassants à la rupture tout en étant parfois caractérisés par des résistances mécaniques très élevées.

Les céramiques « techniques » sont préparées à partir de matières synthétiques ou de matières naturelles purifiées. On peut distinguer les céramiques «oxyde» et les céramiques «non-oxyde».



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Ceramics classification

Les céramiques oxydes


Elles se caractérisent, par rapport aux métaux, par une température de fusion très élevée et une grande stabilité chimique même à haute température.

L'alumine Al 2 O 3 est fabriquée à partir de bauxite (alumine hydratée), principalement utilisée pour ses propriétés de stabilité, pureté, réfractarité, inertie chimique, etc.
Un quart de l'alumine produite passe à travers les réfractaires.

La silice SiO 2 est une silice vitreuse, en raison de son faible coefficient de dilatation et de l'absence de changement de phase cristalline en température, elle présente une excellente résistance aux chocs thermiques.

La zircone ZrO 2 existe sous l'une des trois formes cristallines (formes allotropes) monoclinique –1100 ° C - quadratique - 2300 ° C - cubique –2700 ° C (fusion). Il est nécessaire de stabiliser la zircone dans l'une des structures à haute température afin d'éviter la fragmentation lors du refroidissement. L'ajout de quelques pour cent de MgO, CaO, Y 2 O 3 ou CeO 2 conduit à ce résultat.

Les céramiques oxydées sont également largement utilisées pour l'électronique et l'électrotechnique en raison de la grande diversité de leurs propriétés électriques (les céramiques pour l'électronique représentent 70% du marché mondial des céramiques techniques):


oxide technical ceramics



oxide technical ceramics


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Non oxide technical ceramics

Les céramiques non-oxydes


Les plus courantes sont les carbures tels que SiC, les carbures de métaux de transition TiC, ZrC, HfC ainsi que VxC, NbxC, TaxC, MoxC, WxC et les nitrures tels que Si 3 N 4 , AlN, TiN, etc.

Globalement, ces matériaux auront une dureté élevée (B 4 C, TiC, SiC, WC, etc.), une ténacité faible par rapport à celle des métaux et alliages (généralement <10 MPa.m 2 ) reflétant leur fragilité et leur très bonne résistance à la corrosion et à l'usure.

A haute température, ils ont une résistance mécanique qui peut être supérieure à celle des métaux et alliages courants, une bonne résistance au fluage et à l'oxydation (notamment Si 3 N 4 ). Du point de vue des caractéristiques thermiques, ils ont un très faible coefficient de dilatation thermique (notamment SiC) et une conductivité thermique plus ou moins élevée selon le type de matériau (celui de l'AlN est élevé).

Les propriétés dépendent des méthodes de traitement qui contrôlent la granulométrie, la porosité, les caractéristiques des joints de grains et pour lesquelles le tableau de la page précédente donne quelques ordres de grandeur.

Quelques applications des céramiques non oxydées: abrasifs (SiC), soupapes et raccords (Al 2 O 3 , SiC), roulements et pièces de friction pour l'automobile (Si 3 N 4 ), pièces de meulage (SiC, Si 3 N 4 , WC), buses de sablage (SiC, W 2 C, Al 2 O 3 ), agents dispersants dans les composites à matrice polymère pour applications anti-abrasives (SiC, Si 3 < / sub> N 4 ), écrans (B 4 C, SiC, BN-SiC, ZrC-TiB 2 ), composants haute température dans réacteurs nucléaires (B 4 C, SiC, ZrC), grands miroirs spatiaux (SiC) avec un gain de poids de 5 par rapport au verre, échangeurs de chaleur à haute température (Si 3 N 4 , SiC), industrie cosmétique (BN), électronique de puissance (SiC, AlN), outils de coupe (cermets - céramique-métal - à base de WC ou TiN, SiC, SiAlON, etc.).



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Procédés de mise en forme


En raison de leurs propriétés (température de fusion élevée, dureté élevée, manque de ductilité à basse température, fragilité, faible ténacité), les objets céramiques sont généralement obtenus par consolidation à haute température (frittage) d'une structure granulaire (pièce brute ou pièce verte) développée en mettant en œuvre un processus de mise en forme.

Les procédés de mise en forme les plus utilisés sont la coulée, le pressage, l'injection, l'extrusion. Il faut y ajouter les méthodes de dépôt (phase vapeur, projection plasma, etc.).
Les liquides organiques et auxiliaires utilisés lors de ces étapes sont éliminés (séchage, déliantage) avant frittage.

La mise en forme des céramiques traditionnelles peut se faire à l'aide d'une suspension (procédé humide), d'une pâte plastique (procédé semi-humide) ou de granulés (procédé sec). Ce sont essentiellement des critères de taille et de forme des pièces et de coût de production qui régissent le choix entre ces trois voies.

De la suspension

Les suspensions aqueuses de matières premières minérales utilisées pour la préparation des céramiques sont appelées boues. Ils contiennent généralement une fraction importante de gros grains (> 40 μm). Ils sont notamment utilisés dans les procédés de moulage poreux et de coulée sous pression, pour la mise en forme d'objets de forme complexe (pièces décoratives ou vaisselle) et / ou de grande taille (sanitaire).

Dans tous les cas, la consolidation, appelée prise, doit avoir lieu avant le retrait du moule et la manipulation de la pièce. Elle survient le plus souvent après extraction d'une partie de l'eau de la barbotine et formation contre les parois du moule d'une couche de matière humide, appelée gâteau ou gâteau. La mise en forme est toujours suivie d'une étape de séchage.

Dans le cas du moulage du moule, l'eau est transférée dans la porosité du moule. Si les pores du moule sont nettement plus petits que ceux du gâteau, le transfert se fait sans contrainte extérieure sous l'effet de la succion capillaire. L'utilisation d'un dégraissant composé de gros grains (> 40 μm), qui stabilisent les gros pores du gâteau, peut donc être très favorable. En pratique, la taille des pores est centrée sur 1 μm pour les moules en plâtre et sur 15 μm pour les moules en résine (nécessité d'appliquer une pression dans ce dernier cas).

À partir de pâte plastique

Les pâtes plastiques se comportent comme des fluides non newtoniens avec une contrainte de seuil élevée. Ils sont utilisés pour la mise en forme par injection, pressage ou extrusion (pièces de géométrie simple et / ou symétrie axiale). Leur teneur en eau dépend de la nature de l'argile contenue dans le mélange minéral et des conditions de mise en forme. Elle varie entre 18% (pâte dure pour extrusion) et 30% (pâte molle pour injection) de la masse de matière sèche. Dans tous les cas, les produits doivent être séchés avant cuisson.

À partir de pellets

La mise en forme de pièces de géométrie simple peut être réalisée par pressage. Pour obtenir un remplissage homogène de la matrice de pressage, il est d'usage d'utiliser les matières premières sous forme de granulés sphéroïdisés (généralement entre 300 et 600 µm de diamètre) ayant une grande coulabilité. Obtenus par granulation mécanique ou par pulvérisation / séchage, ces granulés ne contiennent que l'eau (ou le liant) nécessaire à leur cohésion (quelques% en masse). Il est donc plus facile de sécher la pièce. Cette voie est largement utilisée pour façonner les carreaux de sol ou de mur.



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technical ceramics shaping process


Technical ceramics sintering process

Procédé de frittage


Le frittage peut être défini comme l'ensemble des transformations qui conduisent, par traitement thermique et sans fusion totale du matériau, d'un assemblage de grains disjoints (la partie brute) à une partie consolidée (la partie frittée). Les soudures intervenues entre les grains peuvent ou non s'accompagner d'une densification et / ou d'une croissance des grains.

On peut donc avoir:
- consolidation sans densification (production de filtres céramiques) - densification seule (recherchée pour l'obtention de microstructures très fines);
- densification associée à la croissance (situation la plus fréquente).

Si aucune phase liquide n'apparaît, le frittage est dit "en phase solide" avec deux cas:
- frittage non réactif: un constituant chimique au départ, une pièce composée du même constituant à la fin,
- frittage réactif: la densification s'accompagne d'une ou plusieurs réactions chimiques entre les constituants.

Si une phase liquide apparaît, le frittage est dit «en phase liquide»: la phase liquide (minoritaire pour maintenir la tenue mécanique de la pièce) peut provenir de la simple fusion d'un second constituant présent (ajout de frittage ou impureté ) ou d'une réaction eutectique entre différents constituants.

Selon l'application ou non d'une contrainte mécanique externe, une distinction est faite entre le frittage naturel et le frittage sous charge.



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