Chapitre 2 - Céramiques (Mode de Compatibilité)
Chapitre 2 - Céramiques (Mode de Compatibilité)
Chapitre 2 - Céramiques (Mode de Compatibilité)
1. Introduction 2. Structure des cramiques 3. Proprits mcaniques des cramiques 4. Divers exemples
CONTENU DU CHAPITRE
1. Introduction 2. Structure des cramiques 3. Proprits mcaniques des cramiques 4. Divers exemples
1. INTRODUCTION
Il ny a jamais eu dge de la cramique durant lhistoire de lhumanit. Cest pourtant une mthode de fabrication qui a des millnaires dance ( 5000 ans) et qui ne sest jamais dmode. Actuellement, la cramique connat un renouveau spectaculaire qui fait delle lun des secteurs cls de lindustrie de pointe. Les 1res fabrications cramiques remontent de la fin de lpoque nolithique (urnes, vases, jarres et coupes). Jusquau milieu du 20me sicle , les ppaux matriaux de cette catgorie, dont la matire 1re est largile, taient connus sous le nom de cramiques traditionnelles et regroupaient la faence, la porcelaine, les briques, les tuiles, les verres et les 3 cramiques haute tpr.
1. INTRODUCTION
Dimportants progrs ont rcemment t accomplis dans la comprhension des caractristiques fondamentales des cramiques ainsi que des phnomnes qui sy produisent et qui sont lorigine de leurs ppts particulires. Ainsi, une nouvelle gnration de ces matriaux est apparue largissant considrablement le sens du terme cramique . Ces nouveaux matriaux sont, des divers, trs prsents dans notre vie depuis que leur utilisation sest gnralises dans bcp de domaines tels que l-ique, linformatique, les communications, larospatiale, le biomdical et dans plrs autres secteurs industriels.
1. INTRODUCTION
Quelques applications dans diffrents secteurs : Traditionnel: vaisselle, sanitaire, tuiles, briques, carrelage, ; Rfractaire : isolation thermique, rsistance la corrosion, rsistance au choc thermique, ; Electronique : condensateurs multicouches, varistors, ; Electrique/magntique : isolateurs lectriques, supraconducteurs, transformateurs, clairage, composs pour micro-ondes, tlviseurs, Mcanique : pices dusure, pompes dans le domaine alimentaire et cosmtique, ; Nuclaire : plaques en nitrure de bore pour labsorption de neutrons dans un racteur nuclaire,
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1. INTRODUCTION
Les matriaux cramiques prsentent un caractre inorganique et non mtallique. La plupart des cramiques sont ainsi des composs forms dlments mtalliques et non mtalliques, dans lesquels les liaisons interatomiques sont soit totalement ioniques, soit essentiellement ioniques et partiellement covalentes. cramique vient du mot grec keramikos (substance brle) rvlant que les caractristiques recherches pour ces matriaux sont habituellement obtenues au moyen dun traitement thermique tpr leve portant le nom de cuisson . Du point de vue ppts, les cramiques sont connus pour tre fragiles (se cassant facilement sous une sollicitation de type 6 choc) ; mais, elles supportent TB des charges/tpr trs leves.
2. INTRODUCTION
Selon le type de cramique (traditionnel, structural, -ique, rfractaire, ), certaines valeurs peuvent varier de plrs ordres de grandeur ; en outre, selon que la cramique se prsente sous forme massive ou sous forme de fibres, ces valeurs peuvent galement varier de manire significative : La densit () des matriaux cramiques peut varier de 1,5 15 kg/cm3 ; La rsistance mcanique la flexion des cramiques peut atteindre des valeurs de 1000 Mpa lambiante (diamant naturel : 1050 Mpa ; SiC : 930 820 Mpa pour une tpr de 1000 ; C) Les cramiques supportent bcp mieux les efforts de compression que de traction (les valeurs de rsistance la compression peuvent tre 10 x suprieures celles de traction) ;
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1. INTRODUCTION
La tnacit (KIC) est une grdeur qui permet de quantifier la fragilit des matriaux cramiques (elle permet dexprimer la rsistance la fragilisation d1 matriau) ; elle est galement laptitude du matriau rsister la microfissuration (elle peut varier de 1,5 pour les cramiques les plus fragiles (porcelaines, grs, ) 9 Mpa.m1/2 pour les cramiques les plus tenaces (Si3N4, SiC, )) ; ces valeurs sont comparer aux KIC < 1 pour le verre et KIC de lordre de 100 pour les mtaux ; Le modul dlasticit (module de Young E) est une grandeur importante : Plus E est grande, plus il est difficile de dformer le matriau ; elle varie de 65 Gpa pour le verre et 1000 Gpa pour le diamant via 390 Gpa pour lalumine ; La duret est 1 gdeur qui permet de quantifier le qua 1 matriau rsister labrasion, la pntration, la dformation ; 1 matriau dur est difficile griffer mais il peut griffer ou 8 endommager 1 matriau dur que lui.
1. INTRODUCTION
Bien que lunit de la duret dans le S.I. est le Pa, celle qui est plus utilise est le kg/mm2 ; on utilise les durets Vickers (HV), Rockell (HR) ou Brinell (HB) selon la mthode de mesure ; en HV, lAu a une valeur de 35, un acier doux 140, un acier dur 900, le verre 550, Al2O3 2000, WC (gnralement utilis c outil de coupe sur un tour) 2500, SiC 3000. Typiquement, les cramiques sont connues pour de bons isolants lectriques (e.g. : (Al2O3) >= 1015 cm lambiante) ; elles rsistent, de mme, loxydation, aux attaques acides ou basiques et ne sont donc pas solubles dans leau ; Des cramiques en -ique, on parle souvent de cramiques de type BaTiO3 qui sont utilises dans la fabrication des condensateurs, PZT (Zircone stabilise lYttrium) est utilise dans des applications faisant intervenir la pizolectricit (cd transformation dnergie mcanique en nergie lectrique et 9 vice-versa) ;
1. INTRODUCTION
Les cramiques sont qualifies de rfractaires (cd quelles rsistent bien la chaleur) : la plupart dentre-elles peuvent tre utilises des tpr > 1000 tpr laquelle la plupart des C, mtaux sont fondus ; Les cramiques ont un coefficient de conductibilit thermique faible trs variable dune cramique une autre ; certaines sont de bons isolants et dautres des supraconducteurs. La plupart des matriaux cramiques peuvent tre repartis, sur base de leur utilisation, dans les groupes suivants : les verres, les produits cramiques de construction, les porcelaines blanches, les matires rfractaires, les abrasifs, les ciments et les cramiques de pointe.
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1. INTRODUCTION
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Les NaCl, MgO, MnS, LiF et FeO sont les matriaux cramiques 18 courants possdant cette structure cristalline.
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Cas de TiO2 : Nbre de coordination = 3 (Ti) et 6 (O) ; rc/ra = 61/140 = 0,43571 < 0,7 ; do 1 rseau rutile
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Les proprits magntiques de certaines cramiques peuvent provenir, entre autres, de la rpartition des ions entre les sites octadriques et les sites ttradriques.
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La proportion respective des cations et des anions demeure la mme aprs formation d1 dfaut de Frenkel ou d1 dfaut de Schottky. Si le matriau ne comporte aucun dfaut, il est dit 34 stoechiomtrique .
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Rsistance en flexion [MPa] 250-1000 800-1500 100-820 275-700 247 185 110-245 105b 110 69
Module dlasticit [GPa] 304 205 345 393 120 145 260 225 73 69
Ds la mesure o, lors de la flexion, 1 prouvette est soumise des contraintes de compression et de tension, sa rsistance en flexion est > sa rsistance la rupture en traction. En outre, rf est fct de la taille de lprouvette. C cela a t mentionn cihaut, lacroisset du volume de lprouvette soumise 1 contrainte se traduit par laccentuat de dfaut et la diminut de 46 la rsistance en flexion.
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Certaines techniques de fabrication des cramiques reposent sur lemploi d1 poudre c matriau de dpart. Aprs le compactage ou le formage des ptcules de poudre selon la forme voulue, des pores (espaces vides) () les ptcules de poudre demeurent prsents. Le TT subsquent favorise llimination de la + gde partie de cette porosit, mais cette limination est souvent incomplte et que le matriau conserve 1 certaine porosit rsiduelle. Or, toute porosit rsiduelle altre les ppts lastiques et la rsistance du matriau. La fig.-ci donne laperu de leffet de la fraction volumique de porosit sur le module 51 dlasticit de lalumine la tpr ambiante.
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CONTENU DU CHAPITRE
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4. EXEMPLES DIVERS
4.1. Utilisation et proprits recherches par domaine a. Secteur mdical Ce secteur utilise les cramiques en chirurgie rparatrice et ds le milieu dentaire pour leur : biocompatibilit ; rsistance lusure et la fatigue ; rsistance leve la corrosion. On distingue couramment 3 types de biocramiques selon les rx des tissus biologiques (inerte, active, rsorbable) en contact avec ces derniers. Les matriaux utiliss pour la fabricat de pices biomdicales dpendent ainsi de leurs ppts physicochimiques vis--vis du milieu ds lequel ils sont implants et de leurs ppts intrinsques.
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4. EXEMPLES DIVERS
Certaines cramiques se rapprochent ainsi ds leur composition chimique de celle de los (en particulier les cramiques dhydroxyle apatite) et leur compatibilit avec les tissus vivant, leur aptitude la colonisation par les tissus forms, voire, ds certains cas, leur aptitude 1 substitution progressive par phagocyte, conduisent des russites spectaculaires, () autres, en chirurgie osseuse. Les prothses de hanche (rotules en Al2O3, corps en Ti) sont 1 bon e.g. de leurs applications.
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4. EXEMPLES DIVERS
b. Secteur de llectronique : Lindustrie de llectronique est constamt la recherche de nouveaux matriaux tjrs mieux adapts aux techniques novatrices mises au pt, notamment, en matire decapsulat des circuits intgrs. Ds certains cas, les circuits intgrs sont monts sur 1 substrat qui doit agir c isolant lectrique, possder les ppts dilectriques voulues (cste dilectrique de faible valeur par e.g.) et dissiper la chaleur produite par es courants lectriques qui circulent ds les composants lectronique (cd tre 1 bon conducteur de chaleur). + lassemblage des composants lectroniques des circuits intgrs est compact, + la dissipation de la chaleur devient un facteur essentiel.
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4. EXEMPLES DIVERS
Le Al2O3 est le matriau de base utilis pour la fabricat de substrat, en dpit de sa conductibilit thermique relativet faible. En gnral, les matriaux qui sont les mauvais conducteurs de llectricit le sont aussi pour la chaleur, et inverst, lexcept des cramiques trs purs ( la fois isolants lectriques et bons conducteurs de chaleur) ayant 1 structure cristalline simple (e.g. : BN, SiC et AlN). Le substrat le + prometteur est, sans doute, lAlN en raison de sa conductibilit thermique 10x > celle de lAl2O3 et de sa dilatat thermique presque identique celle des puces de silicium des circuits intgrs auxquels il sert de substrat.
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4. EXEMPLES DIVERS
c. Secteur environnemental : Les cramiques techniques ont 1 place de choix ds le domaine de lenvironnet. Cela est due au dveloppet de structure poreuse contrle et ses ppts thermiques importantes. Les cramiques sont utilises pour la ralisatde : capteurs de dtection de gaz ; catalyseurs et pots catalytiques ;
filtres pour lagro-alimentaire et la purification de lH2O ; Filtres particules pour les moteurs diesel ; Traitement des dchets : vitrification des dchets. Pour les filtres trs fins, la porosit de ces cramiques est gnralet de 40% en vol et le des pores peut tre trs faible 59 (de lordre d1 dizaine de nm pour lultrafiltration)
4. EXEMPLES DIVERS
d. Secteur des rfractaires : Les cramiques sont utilises ds le domaine de la mtallurgie, des rfractaires, pour leurs ppts de : rsistance mcaniques aux hautes tpr ; rsistance aux chocs thermiques ; rsistance aux attaques chimiques. On rencontre les applications des cramiques rfractaires en mtallurgie pour la fabrication de noyaux de fonderie, de moules carapace, Elles constituent 1 gpe important de cramiques dont lusage est + larget rpandu. Elles se distinguent surtout par e fait quelles rsistent aux tpr trs leves sans fondre, ni se dcomposer, et par leur capacit de demeurer non ractives et inertes ds les milieux rigoureux.
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4. EXEMPLES DIVERS
Les matriaux rfractaires sont commercialiss sous des formes diverses dont la + connue est la brique. Par ailleurs, ils sont frquet utiliss ds le revtet de fours servant laffinage des mtaux et pour la fabricat du verre, les TT en mtallurgie et l a productdenergie. La porosit est l1 des lts de la microstructure bien contrler pour obtenir 1 brique rfractaire de bonne qualit. La rsistance, la force portante et la rsistance la corrosion sont dautant + leves que la porosit est faible. Toutefois, la diminution de la porosit va de paire avec celle des capacits disolatthermiqu e et de la rsistance aux chocs thermiques de la brique. La porosit optimale dpend videt des conditions dutilisat du produit rfractaire.
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4. EXEMPLES DIVERS
e. Secteur de laronautique : Laronautique et le spatial font aussi appel aux cramiques pour leurs ppts de fiabilit mcanique et de rsistance des tpr > 1000 et aux atmosphres particulires. C Depuis la fin de le 2nd guerre mondiale, la tpr des turbines des moteurs a augment au rythme de 15 C/an en rapport avec es contraintes de vitesse et dacclrat tjrs + importantes, ds quest intervenu le refroidisset des aubes. Les matriaux utiliss doivent avoir 1 ensemble de qualits de rsistance au fluage, la fatigue sous contraintes vibratoires, la fatigue sous leffet des gradients thermiques produits lors des changements de rgime, la corrosion et aux impacts. Les derniers tages du compresseur ne bnficient daucune source de refroidisset naturelle, et cest la limite du matriau disponible le + rsistant qui fixe la tpr acceptable et par l m le 62 taux de compression max du moteur.
4. EXEMPLES DIVERS
Les matriaux base de Ni labors par forgeage classique sont utiliss couramment ds les moteurs en service ; 1 progrs supplmentaire exige le recours des matriaux allis dont la mise en uvre fait appel la mtallurgie des poudres. Lavantage de lgret des matriaux composites (revtet cramique sur mtal le souvent) justifie lintrt port la ralisation des + gdes aubes de soufflante. Les cramiques doivent galement assurer 1 bouclier thermique haute tpr sur le nez des navettes principalement lors de la rentres dans lair de celles-ci.
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4. EXEMPLES DIVERS
4.2. Cramiques de pointe Application dans les moteurs thermique Les matriaux cramiques de pointe ont rcemment fait leur apparit ds les moteurs combustion interne des automobiles car ils offrent des avantages par rapport aux alliages mtalliques classiques. Ainsi, ils prsentent 1 meilleure rsistance aux tpr de fonctionnet trs leves ; ce qui rduit la consommat du carburant, 1 diminut des pertes dues au frotte t, 1 gde stabilit en labsence d1 systme de refroidisset et 1 masse volumique trs faible ; ce qui se traduit par 1 allget des moteurs. La mise au pt de moteurs incorporant ces cramiques nest pas encore acheve, mais des prototypes de blocs moteurs, de soupapes, de chemise de cylindres, de pistons, de roulements billes et dautres composants ont dj t fabriqus.
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4. EXEMPLES DIVERS
Des travaux de recherche sont en cours en vue de produire des moteurs dautomobile turbines gaz dots des rotors, stators, de rgnrateurs et de chambres de combusten cramique. 1 jour ou lautre, ces cramiques de pointe seront utilises ds la fabricatdes moteurs davion. 1 masse volumique relative t faible est 1 des ppaux atouts de ce type de matriaux. En effet, cela ouvre la voie la product de ples de turbine plus lgres que celles en superalliage et dautres composants plus lgers. Parmi les matriaux susceptibles dutilisat ds les moteurs thermiq ues en cramique figurent les Si3N4, SiC et zircone (ZrO2). Lapplicat d1 revtet cramique sur certaines pices mtalliques des moteurs thermiques a entran 1 amliorat marque de la rsistance lusure et la dtrioration haute tpr. Lefficacit de ce revtet est directet lie ltablisset d1 liaison forte () la cramique et le substrat mtallique, de m 65 qu son maintien au cours des oscillatthermiques.
4. EXEMPLES DIVERS
Le ppal inconvnient dcoulant de la prsence de produits cramiques ds les moteurs thermiques est leur propension devenir fragiles et provoquer des dfaillances majeures cause de leur tnacit la rupture relativet faible. On cherche actuellet accrotre la tnacit des cramiques, notamment, par lintermdiaire des composites matrice mtallique. En outre, il faut amliorer les techniques de traitement pour que les matriaux aient des microstructures dtermines leur confrant des ppts mcaniques et une rsistance la corrosion uniforme et fiable haute tpr.
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4. EXEMPLES DIVERS
4.3. Exemples de cramiques et leurs applications a. Alumine (oxyde daluminium, Al2O3) : Bonne tenue mcanique aux hautes tpr ; Bonne conductivit thermique ; Grande rsistivit lectrique ; Grande duret (2100 Kn) ; Bonne rsistance lusure ; Inertie chimique. Applications : Isolateurs lectriques ; Supports dlments chauffants ; Protections thermiques ; lments de broyage ; Composants mcaniques ; Bagues dtanchit ; Prothses dentaires.
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4. EXEMPLES DIVERS
b. Nitrure de silicium (Si3N4) : Bonne rsistance aux chocs thermiques ; Grande duret ; Bonne rsistance lusure et labrasion ; Bonne inertie chimique. 2 types de Si3N4 : li par nitruration de poudre de silicium comprime ou par pressage de la poudre de nitrure de silicium tpr leve (frittage). Applications : Bagues dtanchit pour le moulage des mtaux ; Poudres abrasives ; Outils de coupe ; Rfractaire pour la sidrurgie ; Billes de roulement ; Soupapes (automobile)
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4. EXEMPLES DIVERS
c. Carborundum (carbure de silicium, SiC (WC)) : Bonne rsistance aux chocs thermiques ; Grande duret (2500 Kn) ; Grande conductivit thermique ; Faible dilatation thermique ; Excellente inertie chimique. Applications : Outils de coupe ; Rfractaires ; Rsistances chauffantes ; Pices de frottement ; Joints dtanchit des pompes H2O ; Supports de catalyseur.
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4. EXEMPLES DIVERS
d. Mullite (Al6Si2O13) : Bonne rsistance aux chocs thermiques ; Conductivit thermique faible ; Rsistivit thermique importante. Applications : Produits rfractaires ; e. Nitrure daluminium (AlN) : Bonne rsistance lectrique ; Conductivit thermique leve ; Transparent aux longueurs donde des visible et infra-rouge ; Applications : Circuits imprims ; Colonnes thermiques ; Fentres pour radar ; Creusets pour la fonderie ;
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4. EXEMPLES DIVERS
f. Magnsie (oxyde de magnsium, MgO) : Rsistance aux mtaux fondus ; Bonne rsistance mcanique ; Applications : Rfractaires ; Composants optiques ; Traitement des matriaux pizolectriques. g. Provskite : Elle constitue 1 vaste famille de matriaux cristallins de formule (A)(B)O3 (BaTiO3, CaTiO3, SrTiO3, (PbSr)TiO3, Pb(Zr0,5Ti0,5)O3). Applications : Dilectriques pour la fabrication de condensateurs multicouches ; Thermistances ; 71 Transducteurs pizolectriques.
4. EXEMPLES DIVERS
g. Zircone (oxyde de zirconium, ZrO2) : Excellentes ppts mcaniques aux tpr leves ; Conductivit thermique faible tpr ambiante ; Conducteur lectrique tpr > 1000 ; C Grande duret ; Bonne rsistance lusure ; Bonne inertie chimique ; Bonne rsistance aux attaques des mtaux ; 2 types : zircone non stabilise, utilise en tant quadditif, matriau de revett, poudre abrasive, et zircone stabilise lyttrium (ZrO2/Y2O3 = TZP) ou la magnsie (ZrO2/MgO = TPS). Applications : Creusets ; Buses de coule ; lments chauffants ; Revett anti-thermique ; Conducteurs ioniques ; Prothses dentaires.
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