Les Ceramiques

RO YAU M E DU M ARO C U N IVERSITE M O H AM M ED V-AGDAL FACU LTE DES SCIEN CES DEPARTEM EN T DE PH YSIQ U E M ast er Énergi e et Techno l o gi e d es M at éri aux

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R é al a l i s é pa pa r : *OUASSARNI AB DERRAHIM *HNINE TAR IK

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Proposé et encadré par p ar le l e professeur profe sseur : *SAMAOUALI

Année u niversitaire niversitaire : 2007/ 2007/2008

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T AB ABL L E D ES M AT IE IERE RES S I. INTRODUCTIO INTRODUCTION N :.......................................................... :....................................................................... ............. 3 II. ORIGINE ORIGINE DES CÉRAMIQUE CÉRAMIQUESS : ............................................. ..................................................... ........ 4 1. CERAMIQUES TRADITIONNELLES :....................................................................... 4 2. CERAMIQUES TECHNIQUES : ............................................................................. 4

III. CLASSES CLASSES DE CÉRAMIQUES CÉRAMIQUES :..................................... :........................................................ ................... 5 1. MICROSTRUCTURE ........................ .................. ................. ............... ................ ............... ....... 5 ICROSTRUCTURE DES CERAMIQUES : ................ 1.1. Céramiqu Céramiques es ionique ioniquess et covalente covalentess :............. : ............................. .................................. ................................. ........................ ......... 5 1.1.1. Les céramique céramiquess ioniques ioniques simples simples : .................................................. ............................... .............................. 6 1.1.2. Les céramiques céramiques covalentes covalentes simples simples :............... ............................... ................................ .............................. 8

1.2. Les alliages de de céramiqu céramiques es : ............................. ................................................ .................................. .................................. ..................... 9

IV. PROPRIETES PROPRIETES PHYSIQUES PHYSIQUES DES CERAMIQUE CERAMIQUESS :............................ 10 1. PROPRIETES MECANIQUES :............................................................................ 10 2. RESISTANCE AUX CHOCS THERMIQUES : ...................... ....................................... .................. ..................... 13 3. FLUAGE DES CERAMIQUES : ............................................................................ 13 4. MISE EN FORME ET ASSEMBLAGE : ............... ....................... ................ .................. .................. ................ .................. .......... 14 4.1. Mise en forme des céramiques céramiques : ............................... ................................................. ..................................... ............................ ......... 14 4.2. Assemblages Assemblages des céramiqu céramiques es : ............................... ................................................. ..................................... ............................ ......... 15 4.2.1. Assemblag Assemblage e mécanique mécanique des céramiqu céramiques es : ................................ ................................ ................................ .. 15 4 .2.2.Autres .2.2.Autres types d’assemblage d’assemblage :.... ................................ ............................... ............................... .................... 16

V. LES LES CERAMIQUES CERAMIQUES ET ET LES LES BARRIERES BARRIERES THERMIQU THERMIQUES ES : ................ ................ 16 1. REVETEMENTS DE BARRIERE THERMIQUE :.......................................................... 17 2. EXIGENCES SPECIALES IMPOSEES AUX METHODES DE PREPARATION :......................... 17

VI. ALTERATION ALTERATION DES CERAMIQU CERAMIQUES ES : ............................................. ............................................. 18 1. LES ALTERATIONS PHYSIQUES :......................................................................... 18

2. LES ALTERATIONS CHIMIQUES : ...................... ................... ....................... ........ 19 3. LES ALTERATIONS BIOLOGIQUES : ..................................................................... 20

4. LES PROBLEMES DE DECOLLEMENTS DE GLAÇURES SUR DES CERAMIQUES.................... 20

VII.

CONCL CO NCLUSI USION ON : .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... ........ 21











I. INTRODUCTION : Les céramiques englobent tous les matériaux à liaisons iono-covalentes, ce qui regroupe : les roches, les bétons, les verres, les carbures, les nitrures... Le mot céramique provient du grec ancien «

kéramos»,

qui signif signifie ie « terre terre à

potier potier », « argile argile ». Il a donné donné son son nom à un quartier quartier d'Athèn d'Athènes, es, le Céramiq Céramique. ue. Les céramiques sont constituées constituées de phases inorganiques inorganiques et non métalliques, métalliques, à liaisons essentiellement iono-covalentes, non totalement vitreux et généralement consolidés par frittage d’un compact pulvérulent mis sous la forme de l’objet voulu. Souvent considérés comme appartenant à une même grande famille de matériaux, céramiques, verres et liants hydrauliques peuvent être distingués par l’ordre des étapes : état de poudre, mise en forme et cuisson :

D’autre part, tous matériaux placés dans un environnement déterminé tendent à se mettre en équilibre avec lui. La modification de l’environnement oblige le matériau à se transformer, ce qui aboutit à un changement rapide et évident de ses caractéristiques originelles : c’est l’altération. Dans ce rapport, on va essayer de faire une présentation générale sur la nature nature et les types des des céramiques (origines, compositions compositions et propriétés). propriétés). Ensuite, nous allons parler de l’altération des céramiques dans un cadre générale.











II. ORIGINE ORIGINE DES CÉRAMIQU CÉRAMIQUES ES : 1. Cér amiques amiques t r adit ionnell ionnell es : Les plus plus utilisées utilisées sont les argiles argiles (kaolini (kaolinite, te, illite, illite, montmorill montmorillonite…) onite…) qui permettent permettent d’obtenir des pièces crues de bonne tenue mécanique (plasticité). En fonction de leur mise mise en forme et de la cuisson, cuisson, il est possible de distinguer distinguer trois familles familles d’argiles d’argiles : plastique plastiquess grésantes, grésantes, réfractaire réfractaires, s, plastiques réfractair réfractaires. es. Pour faciliter faciliter la densification on peut ajouter ajouter des feldspaths feldspaths qui jouent le le rôle de dégraissants (favorisent le séchage tout en limitant limitant la déformation) déformation) et de de fondants. Parmi les autres matières matières premières naturelles naturelles on peut citer : le sable, les carbonates carbonates alcalinoterreux (calcaire, craie, dolomie), dolomie), le talc (fondant), l’andalousite l’andalousite (réfractaire).

2. Cér ami que ques s tec techni que ques s: Parmi les méthodes dites “physiques” “physiques”,, la pyrolyse laser est une méthode de choix pour la préparation de poudres poudres nanométriques. Les particules particules obtenues, obtenues, inférieures à 100 nm, ont 2

des surfaces spécifiques atteignant plusieurs centaines de m /g. Cette technique repose sur la décomposition décomposition d’un précurseur gazeux ou liquide par son interaction interaction avec un faisceau faisceau laser.

Figure1 : Nanograin Nanograin monocristallin monocristallin de TiC











Parmi les matériaux matériaux synthétisés par cette cette méthode méthode citons : •

Oxydes de Si, Ti, Zr, Al, La, Y

•

Non-oxydes à base Si : C, B,…

•

Non-oxydes Non-oxydes autres : CN, BN, B 4C, TiB2, ZrB2, TiC, ZrC,…

III. CLA CLASSES DE CÉRAMIQ MIQUES : Les céramiques céramiques contiennent à la fois des éléments métalliques (Al, (Al, Mg, Zr…), des des éléments non métalliques (O, N, C, B…), et qui donnent donnent ainsi des oxydes, oxydes, des carbures, des des nitrures, des borures… pour lesquels les liaisons interatomiques sont soit covalentes, soit ioniques, soit dans un état intermédiaire. intermédiaire. Plus le caractère covalent de la liaison augmente, plus la température de fusion ou de décomposition, décomposition, la résistance à la corrosion, le module d’élasticité d’élasticité et la dureté augmentent et le coefficient de dilatation diminue. Les céramiques sont en général durs et fragiles à la rupture tout en se caractérisant parfois par des résistances résistances mécaniques mécaniques très élevées. élevées. C’est pour cela qu’ils qu’ils ont été été utilisés en tant que matériaux matériaux de constructions constructions depuis l'antiquité. l'antiquité. Exemples : •

Pyramides de Gizeh = 1 000 000 de tonnes de céramique massive.

•

Parthénon

•

Muraille de Chine

1. Micr icr ostr uctur uctur e de des s cé cér amique amiques s: On peut séparer les céramiques en deux grandes classes, suivant qu'elles sont cristallines ou amorphes.

1.1. 1.1. Céra Cérami miqu ques es ioni ioniqu ques es et cova covale lent ntes es : On différencie les céramiques à caractère majoritairement covalent et celles à caractère











1.1.1. Les céramiques ioniques simples : La plupart des céramiques ioniques de formules AB ont une structure proche de celle du chlorure de sodium sodium (NaCl) qui est utilisé comme sel de table. table. Elles sont composées composées d'un métal et d'un non-métal.

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. Les positions des atomes Na et Cl sont équivalentes dans ce réseau. Dans la représentation présentée, les atomes de chlore se trouvent sur un CFC (8*(1/8) +6*(1/2)=4) et les atomes de sodium sont placés sur chacune des arrêtes et au centre (12*(1/4) + 1=4).

Figure2 : Structure Structure chimique de chlorure chlorure de sodium













La Magnésie :

Figure 3 : Structure chimique chimique de la magnésie magnésie

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 chaque interstices octaédriques. octaédriques.

Figure4: Sites octaédriques et tétraédriques d'un réseau cubique

Dans ces conditions, l'attraction entre les ions de signes opposés compense la répulsion 2-

entre les ions O , le solide est très résistant thermiquement (Tf ~ 2000°C).

La z ziircone cubique (Zr (ZrO2) : La zircone zircone est une céramiqu céramique e de plus en plus répand répandue ue industrielle industriellement. ment. Sa structure structure cristallographique est constituée d'un empilement CFC de Zirconium, avec des ions O

2-

dans











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 3+

ions Al

situés dans les sites octaédriques.

La structure HC présente un site octaédrique et deux sites tétraédriques (comme les 3+

CFC). CFC). Les Les ions Al

2-

sont entourés par 6 ions O , mais pour pour que le cristal cristal soit électroneutre, le le

nombre d'ions Al correspond au remplissage remplissage des 2/3 des sites. Deux sites sont donc vacants. vacants.

1.1.2. Les céramiques covalentes simples : Elles sont composées composées de deux non-métaux ou d'éléments d'éléments purs. La cohésion du solide 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.











La densité du diamant est relativement relativement faible (3,52) car les atomes de carbones sont sont peu massifs. Cette densité, très supérieure à celle du graphite (2.25), traduit cependant un état bien ordonné.

Figure5 : Structure Structure diamant diamant

Le c carbure arbure de sil silicium icium : 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, diamant, les carbures carbures de silicium sont sont une des substances les plus dures.











Métaux • Limite d'élasticité. •

Tenue en fatigue.

•

Résistance à la corrosion.

Céramiques • Densification au frittage. •

Augmentation de ténacité.

Tableau 6 : motivations motivations de développement d'alliages d'alliages métallique et céramique

Les céramiques cristallines forment des microstructures poly cristallines, similaires à celles des alliages métalliques. La structure des joints de grains est plus complexe dans les céramiques que dans les métaux, métaux,

car

les

intera interactions ctions

électro électrostatiq statiques ues

apporte apportent nt

des

contra contraintes intes

d'équi d'équilibre libre

supplémentaires (les (les ions de même même signe ne ne doivent pas se toucher). toucher). En conséquence une fraction de porosité de l'ordre de 20vol% est fréquemment rencontrée dans les céramiques. céramiques. Ces pores pores vont affaiblir le matériau matériau en entraînant des concentrations de contraintes à leurs leurs voisinages. voisinages. La présence présence de micro fissure, plus difficilement décelable est est aussi très néfaste au matériau. matériau. Ces micros micros fissures fissures résulten résultentt du procédé procédé de fabrica fabrication tion ou de la différence différence de coefficient de dilatation.

IV. Propriét Propriétés és physiqu physiques es des des céramiq céramiques ues : 1. Pr op oprr iétés iétés mé méc caniques aniques : Les céramiques présentent, comme les métaux, un module d'Young bien défini, c'est-àdire que le module reste constant pendant l'application d'une charge (contrairement au polymère dont l'élasticité n'est pas linéaire).











Le module spécifique des céramiques est donc très favorable :

(E/• )céramiques >> (E/• (E/• )métaux

-3-

Cette propriété fait que les céramiques constituent un matériau de choix comme charge renforçante dans les composites.

Matériau Aciers

E [Gpa] 210

1.8

27

Alliages Aluminium

70

2.7

26

Alumine

390

3.9

100

Silice

69

2.6

27

Ciment

45

2.4

19

ρ

[SD] [S D] E/ρ [Gpa]

Figure7 : Modules d'Young d'Young et densités de céramiques céramiques et métaux

Dureté ureté : Les céramiques présentent la plus grande dureté de tous les matériaux. Elles sont utilisées comme abrasifs pour couper, meuler ou polir tous les matériaux.

Hcéramiques > Halliages métalliques > Hmétaux purs >> Hpolymères Céramique

H/E

Alliages métalliques

H/E

Métaux purs

H /E

Diamant

1.5 10-1

Laiton

9 10-3

Cu

1.2 10-3

-4-













Résist ésistance ance à la l a rupt r upture ure des cérami céramiques ques:: C'est la plasticité en tête de fissure qui confère aux métaux leur ténacité ténacité élevée. Le fait que les céramiques contiennent toujours des fissures et des porosités diminue largement leur ténacité :

Klc céramique ~ 1/50 Klc métaux

- 5-

La résistance mécanique en traction dépend de la ténacité et de la longueur des plus grandes fissures, suivant la relation :

R mc =

K lc

-6-

π am

Avec 2am = longueur de la plus grande fissure.

Cette relation traduit que la résistance en traction décroît lorsque la longueur de la plus grande fissure augmente, l'application numérique

montre

que

les

tailles











2-Augmenter Klc à l'aide de composites ou d'alliage, comme en incorporant de la paille hachée dans les briques ou de la fibre de verre dans le ciment.

Figure8 : augmentation augmentation de ténacité pour un composite à matrice céramique céramique

2. Rési st ance aux choc chocs s t hermi her mi que ques s: Afin de quantifier la résistance aux chocs thermiques des matériaux, on laisse tomber des échantillons chauffés à des températures croissantes dans de l'eau. L'écart maximum de température (en K) auquel survivent les échantillons sans se rompre donne une valeur de résistance aux chocs thermiques. Si le coefficient coefficient de dilation thermique de l'échantillon l'échantillon est  , la couche superficielle superficielle











4. Mise Mise en for f orme me et et ass assemblage mbl age :

4.1. Mise en forme forme des céramiq céramiques ues : La température de fusion des céramiques (de l'ordre de 2000°C) empêche toute mise en œuvre par coulée ou moulage. moulage. La fragilité des céramiques (pas (pas de déformation plastique) rend impossible les méthodes de laminage ou de forgeage utilisée en métallurgie. En raison de leurs propriétés, Les céramiques sont généralement obtenus par consolidation à haute température ( frittage) d’une structure granulaire élaborée en mettant en œuvre un procédé de mise en forme. On utilise des poudres poudres de granulométrie granulométrie très faible (~1• m) qui génère une surface spécifique très grande. Lorsque la poudre est compactée et portée à haute température (~ 2/3 de T f ) les phénomènes de diffusion sont favorisés et les particules se soudent entre elles, provoquant une densification de la poudre. La densification complète est rarement atteinte, des porosités résiduelles restent piégées au niveau des joints.











4.2. Assemblages Assemblages des céramiques céramiques : 4.2.1. Assemblage mécanique des céramiques : L'ass L'assemb emblag lagee des cérami céramique quess est beauc beaucoup oup plus plus délica délicatt que celui celui des polymè polymères res et des des métaux, en en raison de leur fragilité. fragilité. Un bon bon assemblage assemblage doit doit donc éviter les contraintes parasites et les concentrations de contraintes. Les matériaux fragiles ont aussi un comportement comportement à la rupture très différent en traction et en compression, compression, contrairement contrairement à la limite d'élasticité d'élasticité des métaux, métaux, ce qu'il qu'il faut utiliser à notre avantage.

Vissage issage : Le vissage est un processus d'assemblage facilement réversible. Cependant, la fabrication de pas pas de vis dans dans les céramiques est est fortement déconseillée déconseillée s'ils doivent supporter des charges charges élevées, élevées, en raison raison de leur fragilité.











4 .2.2.Autres types d’assemblage : Ils existent existent d’autres types types d’assemblages d’assemblages pour pour les céramiques, céramiques, mais on ne va pas expliquer expliquer la procédure pour pour chaque type. type. On trouve : •

Le collage

•

Le brasage et soudage de verre

•

Brasage avec brasure métallique

•

Cofrittage

V. Les céramiqu céramiques es et les les barrières barrières thermiq thermiques ues : L’idée L’idée de revêtir un superalliag superalliagee d’une couche couche protectrice protectrice est apparue apparue dans dans les années années 1960s. L’objectif L’objectif du processus de revêtement revêtement est de créer un matériau composite dans lequel lequel les alliages à haute performance performance sont protégés de la dégradation corrosive corrosive et oxydative. oxydative. Le besoin de protéger les alliages de base est apparu en raison des températures d’entrée en augmentation augmentation continue, continue, ce qui a fait fait augmenter les les exigences exigences vis-à-vis de la résistance à la rupture par fluage fluage des différents composants. En conséquence, conséquence, les propriétés propriétés mécaniques mécaniques des alliages utilisés pour les différents différents













1. Revêt vêt eme ment nts s de barr bar r ière ièr e t he herr mique mi que : Du point de vue du matérialographe, matérialographe, la préparation préparation correcte correcte d’un matériau matériau composite représente un vrai défi, et la présence d’un revêtement revêtement de barrière thermique complique d’autant plus le travail de préparation d’échantillons. Les revêtements revêtements de barrière thermique sont des couches couches d’oxydes de céramique de ZrO 2 et Y2O3 dont la fonction est de réduire la température du matériau de substrat. La faible faible conductivité conductivité thermique thermique de de la céramique peut également également résultée en une chute prononcée de la température température à l’intérieur l’intérieur du revêtement de barrière.

2. Exigence xigences spé spéc ci ale al es impos im posé ées aux méthodes de pr épar ati at i on : Un problème peut s’avérer s’avérer être la séparation des défauts défauts de revêtements réels (porosité,











Comme le coefficient d’expansion thermique d’un revêtement de céramique diffère considérablement considérablement de celui celui d’un d’un substrat substrat métallique, métallique, un revêtement revêtement liant intermédiaire intermédiaire doit être appliqué au matériau matériau de base. De façon typique, typique, les revêtements de MCrAlY souvent utilisés pour la protection contre la corrosion due à une température température élevée, servent de revêtements revêtements liants. liants. En termes de préparation préparation d’un d’un échantillon échantillon matérialographique, matérialographique, le système de revêtement multicouche multicouche représente une structure structure complexe consistant d’un substrat à base de nickel ou de de cobalt, un revêtement revêtement liant de MCrAlY MCrAlY ainsi que d’une d’une couche de barrière thermique céramique. Chaque couche couche de composant composant comporte comporte des exigences exigences différentes différentes vis-à-vis du processu processuss de de prépar préparatio ation n d’échanti d’échantillon llonss et bien entendu, entendu, les techniqu techniques es variée variéess











•

les variations variations de température température : qui induisent la dilatation et la contraction contraction des des céramiques. Afin de comprendre le rôle que certains facteurs (la température de cuisson cuisson et la composi composition tion des matières matières première premières) s) ont sur la dilatati dilatation on à l'humidité des matériaux de construction céramiques, et d'établir une corrélation entre eux. Plusieurs produits à base d'argile ont été cuits à différentes

températures et leur dilatation à l'humidité a été mesurée.Dans ces matériaux, la dilatation à l'humidité atteint son niveau maximum aux alentours de 950°C et est renforcée par la présence d'alcalis. La présence d'éléments alcalino-terreux a l'effet inverse. L'adjonction de chaux en quantité réduite dans le mélange peut donc réduire la dilatation à l'humidité. •

Les dissolution dissolutionss : c'est une usure de la surface des matériaux sous l'action des











Le second se réfère à des céramiques dont une surcuisson modérée a eu pour effet de créer des conditions favorables au départ de certains constituants comme le potassium. Cette élimination est généralement négligeable lorsque les céramiques ne sont sont pas surcu surcuites ites,, ou lorsq lorsqu'el u'elles les le le sont sont très très fortemen fortement. t. Mais, Mais, on obser observe ve cette altération par changement des couleurs des pièces des céramiques.

3. Les altér altér ations biolo biologiques giques : Altération dans un environnement biologique d’un matériau résultant d’une activité cellulaire, enzymatique, bactérienne, virale. Les agents d’altération biologiques sont principalement les mousses, les champignons et les lichens, les algues mais aussi certaines bactéries.











VII. Conclusion : Dans ce rapport concernant les céramiques, nous avons vu presque tous ce qui concerne les caractéristiques intrinsèqu intrinsèques es ainsi que les propriét propriétés és physico-c physico-chimiq himiques ues de ce type de matériaux. Or, et pour bien cerner notre sujet l’étude pratiques est une obligation qu’on doit tenir compte. Les matériaux céramiques sont utilisés comme isolant thermi thermique que dans dans de de nombre nombreux ux doma domaine ines. s. Les briqu briques es réfractaires sont l’une des plus anciennes applications des













VII. Bibliographie :

A ndreas Ullrich,

Neidel,

J örg

Susanne R iesenbeck, T homas

Völker,

Chunming

Yao,

Siemens

Power

Les Ceramiques

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