Chapitre III :

Verre et Céramiques

III.1. DÉFINITIONS
Un verre est un composé minéral fabriqué, à base de silice (SiO 2), qui possède une
structure vitreuse, c’est à dire désordonnée. Il est mis en forme à partir d’une poudre
agglomérée et consolidé par frittage.
Les verres possèdent une grande stabilité chimique, du fait des liaisons de types
covalents ou ioniques qui unissent les atomes. Cette propriété leur confère une très
bonne biocompatibilité.
C’est la présence de cations alcalins de grande taille (Fig. III.1) qui empêche la
formation d’un réseau cristallin et qui est responsable de la structure non ordonnée du
verre. Les verres sont des matériaux fragiles, c’est-à-dire qu’ils n’ont pas ou très peu de
possibilité de déformation plastique. [1]
 Fig. III. 1: Structure schématique d'un verre. [1]

III.2. CÉRAMIQUES
III.2.1. Introduction
Le mot céramique désigne essentiellement les poteries, porcelaine, brique. Il
représente actuellement l'ensemble des matériaux inorganique non métallique. Les
céramiques sont a base d'oxydes (Al2O3, ZrO2, CaO (chaux), TiO2 (oxyde de titane),…etc)
ou des composés chimique comme SiC, WC (Carbure de tungstène),…etc. Ce sont des
matériaux qui conduisent à des températures supérieurs à 900°C à la formation d'un
solide macroscopique homogène. La structure et la microstructure sont définies lors du
cycle d'élaboration, qui transforme des matières premières le plus souvent
pulvérulentes en un matériau dense, idéalement exempt de pores.
Parmi les produits que nous considèrerons à base de céramiques, on retrouve :
La vaisselle ; Les produits sanitaires (toilettes, bidets, lavabos, etc.) ;
Les poteries ; Les isolateurs électriques ; etc.

III. 2.2. TYPES DE CÉRAMIQUES ET DOMAINES D’UTILISATION

III. 2. 2.1. Céramiques traditionnelles (céramiques vitrifiées)

Les processus naturels de formation des argiles font que la kaolinite est généralement
associée à d'autres minéraux argileux et plastiques ou non argileux, comme le quartz, les
feldspaths ou divers oxydes et oxy-hydroxydes de métaux en proportions variables. De
ce fait, il est parfois nécessaire de nettoyer ces argiles dites kaolinitiques pour obtenir
un matériau plus concentré en kaolinite (comme le kaolin qui peut contenir plus de 80%
en masse de kaolinite).
La cuisson d’une argile provoque sa déshydratation, puis sa transformation en
d’autres phases cristallisées et vitreuses. L’exemple le plus classique est fourni par le
traitement thermique de la kaolinite (frittage classique et frittage rapide). La
décomposition de la kaolinite conduit à un mélange de deux phases : un composé
3Al2O3−2SiO2 appelé mullite et un verre de silice. Le produit final, la porcelaine, est
constitué de cristaux de mullite de taille micrométrique enrobés dans un verre de silice
(Fig. III. 2). [2]
 Fig. III. 2 : Image de microscopie électronique en transmission d’une porcelaine synthétique constituée de
cristaux de mullite et d’un verre de silice. [2]

Les céramiques traditionnelles peuvent se classer en différentes familles :

– les terres cuites, préparées entre 950 et 1050°C, ont une porosité de 15 à 30 % (utilisations :
tuiles, briques, conduits et tuyaux, poteries, ...) ;
– les faïences sont obtenues entre 950 et 1100°C, leur porosité varie entre 10 à 20 %
(utilisations : équipements sanitaires, vaisselle, carrelage, ...) ;
– les grès, formés à partir de grains de sable enrobés d’argile, se préparent entre 1000 et
1300°C, leur porosité est de l’ordre de 1 à 5 % (utilisations : carreaux de sol, tuyaux,
équipements sanitaires, ...) ;
– les porcelaines ont une faible porosité (0 à 2 %), leur température d’élaboration se situe
entre 1100 et 1500°C (utilisations : vaisselle, appareils de chimie, isolateurs électriques, ...)

III. 2. 2. 1. Céramiques techniques

(associations métal-métalloïde), obtenues le plus souvent par frittage (traitement
thermomécanique qui, dans un premier temps, provoque la cohésion de granulés de
poudre avec un « aggloméré (Matériau composé de particules liées) » préparé par
compression à froid, cette ébauche étant ensuite chauffée dans des fours spéciaux) (les
oxydes sont coulés directement dans un moule). [2]
Les utilisations mécaniques et thermomécaniques des céramiques techniques
s’adressent à différents domaines : mécanique (abrasifs, outils de coupe, pièces d’usure),
industrie des réfractaires (fours, creusets, ignifugation, barrières thermiques), industrie
nucléaire, secteur biomédical (prothèses de hanches ou dentaires...)

III.3. MICROSTRUCTURE DES CERAMIQUES

On peut séparer les céramiques en deux grandes classes, suivant qu'elles sont
cristallines ou amorphes. [3]

III.3.1. Les céramique ioniques

Elles sont composées d'un métal et d'un non-métal.
Exemples : • Chlorure de Sodium (NaCl) • Magnésie (MgO) • Alumine (Al 2O3) •
Zircone (ZrO2).
L'attraction électrostatique entre charges de signes opposés constitue la source
principale de liaison. Les ions adoptent un empilement dense afin de minimiser les
distances entre charges de signes opposés. La structure de ce type de céramique est
généralement cristalline.
 III.3.2. Les céramiques covalentes
Elles sont composées de deux non-métaux ou d'éléments purs.
Exemples : • Silice (Si02) • Diamant (C) • Silicium (Si)
La cohésion du solide est assurée par la présence de liaisons covalentes, c'est-à-dire le
partage des atomes avec ses voisins. L'énergie est minimum, non par le développement
d'un empilement dense comme pour les céramiques ioniques, mais par la formation de
chaînes, feuillets ou réseaux. Les céramiques à liaisons covalentes sont plus
fréquemment amorphes. [3]

III.3.3. Les céramiques ioniques simples

La plupart des céramiques ioniques de formules AB ont une structure
proche de celle du chlorure de sodium (NaCl) qui est utilisé comme sel de table.

Le chlorure de sodium :

Chaque atome de sodium perd un

électron au profit d'un atome de chlore,
la cohésion est assurée par l'attraction
électrostatique entre Na+ et Cl-. Au
maximum d'interaction électrostatique,
chaque Na+ possède 6 voisins Cl- et
réciproquement.
Dans la représentation présentée, les
atomes de chlore se trouvent sur un CFC
(8*1/8 + 6*½ =4) et les atomes de
sodium sont placés sur chacune des
arrêtes et au centre (12*¼ + 1 = 4)
Fig. III. 4 : Structure chimique de
chlorure de sodium. [3]

La Magnésie :

Structure similaire au NaCl. Les ions O-2

sont répartis selon un CFC.

Fig. III. 5 : Structure chimique de la magnésie. [3]

La structure de la magnésie peur être décrite comme un empilement de deux réseaux

CFC oxygène et magnésium ou comme un réseau CFC d'oxygène avec un atome de
magnésium dans chaque interstices octaédriques.
 Fig.III. 6 : Sites octaédriques et tétraédriques d'un réseau cubique. [3]

La zircone cubique (ZrO2) :

constituée d'un empilement CFC de
La zircone est une céramique de plus Zirconium, avec des ions O2- dans les
en plus répandue industriellement. Sa sites tétraédriques. Comme il existe 2
structure cristallographique est sites tétraédriques par atome de réseau.

L'alumine :
L'alumine est une céramique structurale utilisée dans les outils de coupe et les
meules. Sa structure cristallographique est constituée d'un empilement HC d'ions
oxygène avec des ions Al3+ situés dans les sites octaédriques. La structure HC présente
un site octaédrique et deux sites tétraédriques (comme les CFC).
Les ions Al3+ sont entourés par 6 ions O2, mais pour que le cristal soit électroneutre, le
nombre d'ions Al correspond au remplissage des 2/3 des sites. Deux sites sont donc
vacants. [3]
III.3.4. Les céramiques covalentes simples
Le diamant : est la céramique covalente type, utilisée pour sa résistance à l'usure
mécanique. [3]

Chaque atome est lié à 4 voisins. Il

se trouve au centre d'un tétraèdre et ses
4 liaisons sont dirigées vers les 4
sommets du tétraèdre. La densité du
diamant est relativement faible (3.52)
car les atomes de carbones sont peu
massifs. Traduit cependant un état bien
ordonné.

Fig. III. 7 : Structure diamant. [3]

Le carbure de silicium :

La silice et les silicates

Le carbure de silicium (SiC) a une

structure proche du diamant, on
remplace un atome de carbone sur 2 par
du silicium. Après le diamant, les
carbures de silicium sont une des
substances les plus dures.

Les silicates sont par définition des substances contenant du silicium, de l'oxygène et
un autre métal avec ou sans oxygène. Ils représentent jusqu'à 90% de l'écorce terrestre.
Parmi tous les matériaux bruts utilisés par l'homme, la silice et ses composés sont les
plus largement abondant et bon marché. Le motif de base formant les silicates est Si04
qui se dispose en tétraèdre est très stable. Les tétraèdres SiO4 peuvent se lier entre eux
soit directement soit par l'intermédiaire d'une liaison avec un ion métallique (M). [3]

III. 4. TECHNIQUES DE FABRICATION DES CERAMIQUES

Les  méthodes  de  fabrication  des  céramiques  techniques  sont  généralement
définies  par  la  géométrie  et  la  complexité  des  formes  à  réaliser,  ainsi  que les
volumes  de  production  concernés. [4]

III. 4. 1. Le  pressage  uniaxial   

Dans  le  pressage  uniaxial,  la  poudre  est  insérée  dans  un  moule  solide  et
pressée  à  l’aide  d’un  piston  étroitement  ajusté.  Après  la  pression,  le  piston  se
retire  et  le  cru  à  l’état  vert  et  généralement  injecté  par  un  piston  inférieur.  
Les  formes  et  dimensions  des  crus  sont  limités  par  l’effet  de  friction  et  par  le
fait  qu’il  doit  être  éjecté  de  la  matrice.  Cette  méthode  est  utilisée  pour  des  petites
pièces  avec  des  géométrie  généralement  simple.

Fig. III. 8: Pressage  uniaxial. [4]

III. 4. 2. Le  pressage  isostatique  à  Froid  (CIP)    

Dans  ce  procédé,  la  poudre  est  insérée  dans  un  moule  généralement  flexible
(fait en  silicone)  et  pressée  de  manière  isostatique  (dans  tous  les  axes)  par  un
fluide ou  gaz  dans  une  chambre  de  pression.  
Les  moules  silicone  se  produisent  plutôt  facilement  mais  le  cycle  de  presse  lui-
même  est  lent.  Cette  méthode  est  donc  appropriée  pour  des  relatives  petites séries
de  composants.

Fig. III. 9: Pressage  isostatique  à  Froid. [4]

III. 4. 3. Le  coulage  en  barbotine  

Le  principe  de  la  coulée  en  barbotine,  c'est  que  la  suspension  de  la  poudre  est
versée  dans  un  moule  poreux,  habituellement  en  plâtre,  qui  absorbe  le  liquide
porteur  provoquant  la  poudre  à  être  attirée  sur  les  parois  du  moule.  
Cette  méthode  est  surtout  utilisée  pour  la production  des  céramiques
traditionnelles et  est  idéale  pour  la  préparation  de  grandes  parois  minces,  pièces
creuses.
 Fig. III. 10: Coulage  en  barbotine. [4]

III. 4. 4. Le  moulage  par  injection    

Le  moulage  par  injection  consiste  à  mélanger  de  la  poudre  de  céramique  avec
une quantité  suffisante  de  polymère  ou  d'un  autre  liant  mou  pour  produire  une
pâte moulable.  Cet  article  est  alors  injecté  sous  pression  dans  un  moule.  

Fig. III. 11: Moulage  par  injection. [4]

III. 4. 5. L’extrusion
Le  procédé  d'extrusion  est  simplement  de  forcer  une  billette  de  métal  à  travers
une  filière de  forme  pour  produire  une  longueur  continue  de  section  constante
similaire  au  profil de  filière.  Cette  technique  permet  de  fabriquer  des  tubes
céramique  de  longueur  pouvant  atteindre  3000mm  selon  les  diamètre.

Fig. III. 12: Procédé  d'extrusion. [4]

III. 5. VERRES
Le verre est un solide transparent donc amorphe. Le verre est utilisé pour ses
propriétés optiques ainsi que pour ses autres propriétés similaires
aux céramiques. Le verre est essentiellement constitué de silicate. [5]

Fig. III. 13: Silice cristalline (cristobalite). [5]

Fig. III. 14: Silice vitreuse. [5]

III. 6. FABRICATION ET MISE EN FORME DES VERRES

Le verre (contrairement à la céramique) devient ductile au fur et à mesure qu’il est
exposé à la chaleur. Le passage de l’état solide à l’état liquide est appelé transition
vitreuse. Ainsi, selon le procédé utilisé, le verre n’a pas à être fondu complètement pour
être mis en forme.
Le point de fusion de la silice est d’environ 1800°C, mais il peut être abaissé en
ajoutant des adjuvants. Cela permet de souffler du verre dans un moule, de le former par
compression et même de le couler. [6]

On distingue trois types principaux de produits fabriqués:

- le verre plat (verre à glace, verre à vitres),
- le verre creux (bouteilles, gobelets, ampoules…),
- les fibres de verre.
On peut ajouter une quatrième catégorie regroupant les verres pour applications
diverses (verres d’optique, tubes, baguettes, billes …)

III.6.1 Fabrication du verre plat

a) Laminage (Fig. III.15)
 Le verre s’écoulant du four sur un déversoir (conduite) passe entre des rouleaux
métalliques refroidis qui le figent (rendre solide) en un ruban continu (3 à 15mm
d’épaisseur, jusqu’à 3,60 m de largeur), et qui est dirigé vers un tunnel de recuisons
pour relâcher les tensions internes. La feuille brute n’est ni parfaitement plane, ni
transparente. Après refroidissement elle doit subir des opérations de doucissage et de
polissage, ce qui permet d’obtenir une feuille transparente dont les deux faces sont
rigoureusement planes et parallèles, appelée glace.

Fig.III.15: Coulée continue. Glace. [6]

b) Etirage (Fig. III.16)

Lorsqu’on plonge verticalement une plaque solide dans le verre fondu et qu’on la
retire lentement, elle entraîne une certaine portion du liquide qui monte en
s’épaississant par refroidissement jusqu’au moment où il se produit une rupture dans la
partie émergente (Fig. III.16b).
L’augmentation progressive de la viscosité dans le « bulbe » permet l’étirage, mais la
tension superficielle tend à diminuer la largeur et amène la rupture de la feuille. Pour
permettre un étirage continu sans rupture on fige les bords de la feuille naissante en les
refroidissant. Ce qui forme une espèce de cadre plus rigide qui stabilise la largeur de la
feuille (Fig. III.16c).

Fig. III.16: Principe d’étirage. a) Etirage d’une baguette à partir de la surface du verre en fusion,
b) Impossibilité d’étirer une feuille plane: formation d’étranglement (étouffement), c) Débiteuse
et refroidisseur permettent de figer la feuille à largeur constante. [6]

Ce principe est utilisé pour produire en continu des feuilles de verre de planéité
acceptable pour les applications courantes: c’est le verre à vitres. Plusieurs variantes ont
été imaginées (Fig.III.17):
 Fig. III.17: Procédés d’étirage du verre à vitres 1) Fourcault, 2) Pittsburg, 3) Libbey–
Owens. [6]

 Procédé Fourcault (1904). (Fig. III.17-1)

On enfonce à la surface du bain de verre un bloc en réfractaire portant une fente
longitudinale est appelé débiteuse (Fig. III. 16c). Le verre passant à travers cette fente
forme le bulbe; on amorce l’étirage en mettant une barre métallique en contact avec la
fente; la feuille sortante est tirée verticalement soutenue par des rouleaux en amiante,
des refroidisseurs agissant par rayonnement (sans contact matériel avec la feuille)
permettent de figer les bords de façon continue. La feuille traverse un puits vertical de
recuisons avant d’être découpée.
 Procédé Pittsburg (1925). (Fig. III.17-2).
Dans ce procédé la débiteuse est remplacée par une pièce réfractaire complètement
immergée, qui abaisse la température du verre. L’absence de la débiteuse permet
d’augmenter la vitesse d’étirage et supprime les défauts d’étirage.
 Procédé Libbey–Owens, (1917). (Fig. III.17-3).
Dans ce procédé, l’étirage se fait également sans débiteuse, la feuille de verre étirée
est pliée à angle droit, à 1m environ au-dessus de la surface du bain, sur un rouleau en
alliage chrome-nickel poli. Ceci permet d’éviter le développement excessif en hauteur
des installations des deux procédés précédents.

c) Flottage «procédé Float», (1959) (Fig. III.18)

Ce procédé mis au point par l'entreprise anglaise Pilkington. Le procédé imaginé au
départ consistait à former d’abord un ruban de verre par laminage, puis à déposer celui
ci encore à l’état ramolli sur la surface libre d’un bain d’étain fondu. La face en contact
avec le métal acquiert la planéité de la surface libre du bain, la face opposée est rendue
parfaitement plane grâce à l’action de la tension superficielle qui tend à étaler le ruban
de verre sur le bain.
 Fig.III.18: Procédé FLOAT. [6]

III.6.2. Fabrication du verre creux

a) Pressage (Fig.III.19)
Une quantité déterminée de verre fondu ou « paraison » est introduite dans un moule
et pressée vers 400-450°C. Les moules sont en acier spécial et leurs surfaces souvent
chromées.
Les presses automatiques (comportent une série de moules) jusqu’à 1000
pièces/heure. Cette méthode est utilisée pour fabriquer les assiettes, lentilles, etc…

Fig. III.19: Procédé de fabrication par pressage dans un moule. [6]

b) Soufflage (Fig. III.20)

On commence généralement par produire une ébauche dans un moule préparatoire.
Cette ébauche est ensuite transférée dans un moule définitif où à lieu le soufflage final.
Suivant la manière dont est rempli le moule ébaucheur, on distingue les procédés: par
aspiration et soufflage, Owens (1905); soufflé-soufflé, Hartford (1925) (Fig. III.20a);
pressé-soufflé (Fig. III.20b).

Fig. III.20: Procédés de fabrication automatiques du verre creux. a) formation de

l’ébauche par soufflage et soufflage dans un moule (soufflé-Soufflé), b) formation de
l’ébauche par pressage suivi de soufflage (pressé-soufflé). [6]
III.6.3. Fabrication des fibres de verre
Le verre peut servir à la fabrication des fibres. On distingue deux catégories
essentielles: les fibres textiles (fil continu) et les fibres pour isolation (fibres courtes
enchevêtrées). Il existe trois principes de fabrication: l’étirage mécanique, l’étirage
centrifuge et l’étirage par fluide.

a) Etirage mécanique (Fig. III.21).

Le procédé Gossler (1920) comporte un four chauffé électriquement dont le fond est
percé de petits orifices (pores). Le verre sortant de ces orifices est étiré en fibres qui
s’enroulent sur un tambour mis en rotation rapide (Fig. III-21a).

Fig. III.21: Etirage des fibres de verre.

a) Procédé Gossler: b) Procédé Sculler. [6]

b) Etirage centrifuge
Dans le procédé Hager (1931) un filet de verre fondu tombe sur un disque en
réfractaire et chauffé à sa périphérie par des flammes. La force centrifuge provoque
l’étirage sous forme de fibres de diamètre voisin de 25µ.

c) Etirage par fluide (Fig. III.22)

La méthode consiste à faire éclater les filets de verre; on provoque le retirage par des
jets de gaz à grande vitesse. Le produit de haute qualité est composé de fibres de
diamètres 0,05-5µ: fibres dites «superfines».
 Fig. III.21: Etirage par fluide. [6]

d) Procédé mixte (Fig. III.22)

Fig. III.22: Procédé TEL (Saint-Gobain). [6]

1) Organe de distribution du verre sur la bande perforée, 2) Organe de formation des

filets primaires, 3) Brûleur spécial à fente annulaire, 4) Lame de gaz brûlés issus de 3, 5)
Couche d’alimentation de la bande perforée, 6) Zone d’étirage, 7) Verre, 8) Fibres.

III.7. PROPRIETES GENERALES DES CERAMIQUES

Les céramiques sont des matériaux qui ont généralement les propriétés suivantes : [5]
 Mauvais conducteurs de chaleur ;
 Mauvais conducteurs d’électricité ;
 Température de fusion élevée ;
 Rigidité élevée ;
 Faible résistance en tension (matériau fragile) ;
 Très résistant à la corrosion.

III.7. 1. Propriétés mécaniques

Le comportement rhéologique des céramiques à température ambiante est de type
linéaire élastique. Elles présentent un module d’élasticité très élevé et des déformations
élastiques extrêmement limitées. On peut supposer, que leur comportement est
élastique jusqu'à la rupture. Comme les masses volumiques ρ des céramiques sont
faibles. [7]
Les céramiques sont des matériaux très durs, mais aussi très fragiles. Pour mesurer le
comportement à la rupture, on utilise le concept de ténacité (unité: Pa√m). La ténacité
est la résistance à la propagation rapide de fissures. Pour mesurer la ténacité, il faut
introduire une fissure dans une éprouvette et mesurer la résistance à sa propagation. La
ténacité KIC (ou facteur d’intensité de contrainte critique) est liée à la contrainte à la
rupture r, par la relation: KIC= rYac.
Y est une constante de calibration fonction des dimensions de l’éprouvette.
Une autre manifestation de la fragilité des céramiques est leur faible ténacité, c’est à
dire leur extrême sensibilité à la propagation de petits défauts quand le matériau est
soumis à une contrainte.
Les céramiques ne sont pas ductiles, elles se cassent brutalement sans plastification.
Leur comportement est donc très fragile. [7]

III.7. 2. Propriétés électriques

La conduction électrique d’un matériau dépend de la mobilité des électrons (ou des
ions) qu’il contient dans le champ électrique extérieur imposé. Cette mobilité dépend de
la structure électronique et donc de la nature des atomes constituant le matériau.
Comme seuls les électrons dont l’énergie est supérieure au niveau de Fermi peuvent
participer à la conduction, celle-ci est forte pour les matériaux métalliques
(conducteurs), faibles ou inexistants pour les matériaux organiques et minéraux
(diélectriques). [8]

III.7. 3. Propriétés thermiques

Les céramiques sont connues pour leur bon comportement aux températures élevées.
Pour commenter leur comportement thermique, il faut introduire les notions de
conductivité thermique, dilatation thermique et résistance aux chocs thermiques.
Il y a deux possibilités d’utilisation des céramiques pour les applications thermiques:
-le matériau peut avoir à subir des chocs thermiques. Dans ce cas, il faut qu’il possède un
coefficient de dilatation thermique le plus faible possible et une conductivité thermique
élevée(λ),
-mais il peut être utilisé aussi en tant qu’isolant thermique. Pour cela, il doit avoir une
faible conductivité thermique.
La conductivité thermique λ (W/m.K) est la propriété d’un matériau de transmettre
un flux de chaleur (flux d'énergie) par unité de surface. Elle est proportionnelle à la
capacité calorifique c.
Pour les céramiques, les fortes conductivités seront obtenues pour les structures
composées d’éléments simples. Le graphite aura une excellente conductivité thermique.
Par exemple: SiC a une conductivité de 110 W/m.K.
Les céramiques ayant des structures plus complexes ont une conductivité faible. Par
exemple, Al2O3 a une conductivité de 25 W/m.K. On peut comparer ces valeurs à celles
d’autres matériaux comme:
 pour le cuivre λ= 389 W/m.K;
 pour le polystyrène λ= 0,125 W/m.K;
 pour le verre λ= 0,84 W/m.K.
 La dilatation thermique d’un matériau est due à l’amplitude des vibrations
atomiques de la structure qui augmente sous l’effet de la température. Le coefficient de
dilatation linéaire α (K-1) est donné par :
∆l
α=
l 0 ∆θ
Où l0 est la longueur initiale du matériau, ∆θ représente une élévation de température et
∆l allongement de la pièce.
La dilatation thermique des céramiques dépend fortement de la structure interne de
celles-ci.
La structure des céramiques ioniques, comme les oxydes, est compacte (dense). Cette
structure est la cause d’une forte dilatation thermique. Al2O3, ZrO2, MgO ont donc une
forte dilatation due à la température. Ceci explique leur très mauvaise tenue aux chocs
thermiques. Par contre, cette dilatation sera beaucoup plus faible pour les céramiques
covalentes (non oxydes). Pour la même amplitude, on aura absorption de ces vibrations
dans les cages interstitielles et par les déviations angulaires.
Les nitrures comme AlN (nitrure d'Aluminium) ou SiN (nitrure de Silicium) ont un
faible coefficient de dilatation thermique. Les matériaux de type Si3C4 sont meilleurs
conducteurs de la chaleur que les nitrures, mais possèdent un coefficient de dilatation
supérieur. La présence de solutions solides dans ces céramiques diminue leur
conductivité thermique. Les matériaux de type mullite (3Al2O3−2SiO2), connaissent de
faibles dilatations thermiques.
Il est possible de trouver des céramiques dont les caractéristiques thermiques sont
compatibles avec une utilisation sous choc thermique.
Le choc thermique est dû aux contraintes thermiques qui interviennent quand le
matériau est soumis à des différences de températures entre la surface de la pièce et
l’intérieur. La résistance aux chocs thermiques est d’autant meilleure que le coefficient
de dilatation est faible. Les nitrures de silicium, par exemple, ont un coefficient de
dilatation inférieur à celui des carbures. Ils présenteront donc une meilleure résistance
aux chocs thermiques. [7]

III.7. 4. Propriétés optiques

L’interaction entre un matériau et un rayonnement électromagnétique tel que celui
de la lumière visible (longueurs d’onde entre 0,38 et 0,78 µm) dépend essentiellement
de la structure électronique des atomes concernés. Les électrons des éléments
métalliques absorbent tous les rayonnements électromagnétiques incidents (depuis les
ondes radio jusqu’au proche ultra-violet) pour se déplacer dans un état excité de la
bande de conduction (d’énergie plus élevée) comportant des états disponibles. Ils
reviennent pour la plupart dans leur état initial en réémettant un rayonnement
identique au rayonnement incident (lumières diffusée et réfléchie). Cette interaction
s’effectue complètement sur une profondeur de pénétration qui n’excède pas 0,1 µm;
seuls les films métalliques d’épaisseur inférieure sont donc susceptibles d’être traversés
par les photons les plus énergétiques, c’est-à-dire partiellement transparents.
En revanche, les métaux s’avèrent plus transparents aux rayonnements de longueurs
d’onde plus faibles (rayons X, rayons γ …). Les éléments non-métalliques peuvent quant
à eux être transparents aux longueurs d’onde dont l’énergie n’est pas suffisante pour
faire franchir la bande interdite aux électrons de leurs atomes. Les rayonnements
incidents peuvent alors être en partie diffusés et/ou en partie réfléchis à la surface, en
partie absorbés (et dissipés dans le matériau sous forme thermique), en partie diffractés
(si le matériau est cristallin) et en partie réfractés et éventuellement transmis (Fig.
III.23).

Fig. III. 23: Principaux types d’interactions entre un rayonnement lumineux

monochromatique et une lame de matière solide :
1 : rayonnement incident; 2 : rayonnement diffusé; 3 : rayonnement réfléchi. 4 :
rayonnement 3; 5 : rayonnement absorbé; 6 : rayonnement transmis. i : angle
d’incidence; r : angle de réfraction. [8]

Plutôt définie pour les matériaux opaques, l’absortivité A d’une surface est le rapport
entre l’énergie qui pénètre dans le matériau et l’énergie incidente (la différence étant
diffusée ou réfléchie). Elle dépend du matériau et de son état de surface. A = 1 pour un
corps noir idéal; d’autres matériaux possèdent des absortivités proches de l’unité (corps
« gris »).
Reliée à l’absortivité, l’émissivité ε (J · h– 1·m– 2) de la surface d’un corps noir ou « gris
» varie avec sa température absolue T et est définie par la relation :
ε = Cr· T4= A · C0· T4
Où Cr (J · h ·m ·K ) est le coefficient de rayonnement du corps considéré et C0
– 1 – 2 – 4

celui d’un corps noir. [8]

III.8. DEGRADATION CHIMIQUE DES MATERIAUX MINERAUX

La plupart des minéraux sont des composés très stables en raison de la présence de
liaisons fortes, ioniques ou covalentes. Quelques interactions chimiques existent malgré
tout. Ainsi, les ions métalliques alcalins (Na+, Ca2+ calcium…) des verres minéraux sont
l’objet d’une légère dissolution par l’eau. Inversement, les ions OH– d’une solution très
fortement basique en contact avec un verre minéral hydrolysent en surface le réseau de
la silice, provoquant un ternissement du verre.
Les eaux qui contiennent des sulfates attaquent les ciments et bétons en réagissant
avec l’aluminate tricalcique qu’ils contiennent pour former un Sulfo-Aluminate de
calcium, voire du gypse. La forte augmentation de volume qui accompagne cette
réaction entraîne un écaillage du béton.
Le carbonate de calcium contenu dans certaines roches calcaires se dissout
progressivement sous l’effet des ions HCO3––, SO3–– ou SO4––contenus dans certaines eaux
de pluie. Du gypse CaSO4, 2H2O peut également se former. Il en résulte une perte de
cohésion et un écaillage superficiel de la pierre. [8]