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Céramiques

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Généralités

Le terme céramique a pour origine le mot grec keramos, qui fait référence à la poterie et à la « terre brûlée ». En fait le mot serait d'origine sanscrite et signifiait « à brûler ». Les céramiques constituent une gamme très étendue de matériaux non métalliques. Elles sont toutes élaborées par des procédés thermiques et incluent de nombreux silicates et oxydes ; beaucoup ont pour origine les argiles naturelles analogues à celles qui servent à la fabrication de tuiles et de briques pour le bâtiment, argiles qui sont durcies par chauffage. Les céramiques à base de silicates comprennent tous les objets faits à partir d'argile, comme les poteries, les tuiles, les briques ou les porcelaines. Les constituants principaux sont les argiles et les aluminosilicates provenant des feldspaths. Aujourd'hui la gamme de matières premières est beaucoup plus étendue et elle aboutit, via la poterie et la céramique d'art, à des produits industriels très élaborés.

La structure moléculaire des céramiques est parmi les plus complexes de toutes celles du monde minéral. Les liaisons entre les atomes, de type covalent ou ionique, sont très fortes. En conséquence, du point de vue de la dureté, de la résistance thermique ou mécanique, les céramiques montrent une nette supériorité par rapport à la plupart des matériaux métalliques.

Les céramiques possèdent trois avantages importants par rapport à d'autres matériaux concurrents : les matières premières utilisées pour leur fabrication sont relativement disponibles et peu onéreuses, elles sont peu denses et résistent à des températures très élevées, là où la plupart des métaux perdent leur résistance, enfin elles ont des propriétés optiques, électriques, chimiques, magnétiques, thermiques, etc. qui les rendent irremplaçables dans de nombreuses industries, en particulier pour la fabrication de matériel électronique et informatique. En revanche elles présentent un défaut très important, qui est leur plus ou moins grande fragilité ; cependant celle-ci est due avant tout à des défauts de structure ou à des impuretés dans les réseaux moléculaires et on les rend plus résistances en améliorant la pureté des matériaux de base et en maîtrisant mieux les processus de fabrication.

Aspects historiques

L'art de fabriquer des poteries en modelant et en cuisant l'argile a été pratiqué par les civilisations les plus anciennes, et d'ailleurs l'examen des objets en terre cuite relevés au cours des fouilles est l'un des meilleurs outils dont disposent les archéologues. La poterie remonte à au moins 15.000 ans avant notre ère ; elle est devenue une industrie en Égypte depuis -5.000 ans et l'usage du kaolin est avéré en Chine depuis -4.000 ans au moins.

Le domaine des céramiques est traditionnellement lié à ceux des verres et des ciments. De façon semblable, la fabrication de verres à base de silicates est également très ancienne. Les verres naturels tels que l'obsidienne ont été utilisés depuis l'âge de pierre et les premières vitres ont été fabriquées vers -12.000. Les verres travaillés sont apparus vers -7.000 / -5.000 et l'industrie du verre était bien établie en Égypte vers -1.500. Au contraire, l'industrie du ciment est bien plus récente. Les Égyptiens avaient utilisé le calcaire calciné, autrement dit la chaux, pour fabriquer des mortiers ; plus tard, les Romains combinèrent la chaux avec les cendres volcaniques pour obtenir un véritable ciment hydraulique. Cette technique semble s'être perdue par la suite, avant d'être redécouverte en Angleterre vers 1750, où l'on calcinait des marnes, autrement dit des calcaires mélangés à de l'argile. L'industrie des ciments, telle que nous la connaissons, ne date guère que d'un siècle.

L'industrie des céramiques

Cette industrie est aujourd'hui vitale pour d'autres industries. Les matériaux réfractaires sont largement utilisés dans toute l'industrie métallurgique. Les abrasifs utilisés dans les ateliers d'usinage ne sont plus d'origine naturelle, mais reposent sur l'utilisation rationnelle de produits de synthèse. Beaucoup de produits manufacturés actuels comportent des éléments en céramiques, utilisés en raison de leur résistance thermique, de leurs propriétés isolantes vis-à-vis de l'électricité ou de la chaleur, de leur inertie chimique, de leur stabilité dimensionnelle. Elles ont envahi par exemple les domaines des isolateurs, des condensateurs électriques, de la robinetterie domestique, etc.

Les domaines de prédilection de la verrerie sont les vitrages et les isolants pour le bâtiment, et plus encore les emballages, et l'essentiel de ces produits sont à base de silicates de calcium et de sodium. Les plus forts tonnages de céramiques et de ciments sont utilisés dans les domaines de la construction de bâtiments et d'ouvrages d'art tels que ponts, barrages, etc. Les « produits blancs » qui comprennent les faïences sanitaires et celles destinées à la poterie et à la vaisselle, mais aussi les porcelaines, correspondent en fait à des produits très variés et choisis spécifiquement pour tel ou tel usage. Ces produits sont le plus souvent associés à des verres ou des émaux vitrifiables qui en constituent les glaçures.

Environ 40 % des réfractaires comportent une base d'argile, ceux qui sont destinés à des usages spécifiques, à très haute température ou dans des milieux chimiques agressifs, ne comportent pas d'argile mais des oxydes d'aluminium, de chrome, de magnésium, des nitrures, du carbone sous forme de graphite, etc.

Céramiques traditionnelles, céramiques modernes

Les céramiques à base d'argile sont employées depuis des millénaires et restent, de très loin, les plus répandues dans tous les domaines. Les nouveaux matériaux récemment mis sur le marché sont à base de composés minéraux relativement simples, par exemple des oxydes, des carbures ou des nitrures. Lorsqu'ils sont mélangés à l'eau, ils ne possèdent pas les propriétés de déformation et de plasticité que présentent les argiles, il faut donc les combiner à d'autres produits pour pouvoir les mettre en forme par les procédés habituels. Il a fallu aussi, pour certains d'entre eux, inventer des procédés de fabrication nouveaux, qui n'avaient jamais été utilisés pour les argiles.

Propriétés générales des céramiques

Aspect

Les céramiques présentent des formes cristallines opaques et des formes vitreuses amorphes plus ou moins translucides.

Propriétés mécaniques

Les objets en céramique sont habituellement assez peu denses, très durs et dotés d'une bonne résistance mécanique, même à des températures très élevées. D'une manière générale, leur résistance à la compression est bien supérieure à leur résistance à la traction, ce qui est une des caractéristiques des matériaux fragiles. En fait, c'est la présence de petites imperfections ou d'impuretés qui leur confère ce comportement ; les céramiques très pures peuvent souvent supporter des chocs mécaniques relativement violents.

La réputation faite aux céramiques de bien résister à l'usure doit être considérée avec une certaine prudence.

pour en savoir plus : Matériaux utilisables pour le frottement

Propriétés thermiques

Isolation thermique d'une tubulure d'échappement par un revêtement de céramique colorée

Les céramiques gardent leur solidité même à des températures très élevées, résistent aux chocs thermiques (voir les « tuiles » de protection des navette spatiales américaine). L'une des raisons de cette résistance réside dans leur faible coefficient de dilatation, très inférieur à celui de la plupart des métaux et alliages. La conductivité thermique est généralement médiocre ou faible, d'où leur utilisation comme isolants thermiques.

Propriétés électriques

Les céramiques sont d'excellent isolants électriques et peuvent servir de support à des éléments de circuits électriques. Ce sont elles, en particulier, qui constituent les isolateurs des lignes à hautes tension. Dans certaines conditions, comme des températures extrêmement basses, certaines céramiques deviennent des supraconducteurs.

Propriétés chimiques et environnementales

Les céramiques présentent généralement une très grande inertie chimique et résistent bien aux attaques de substances agressives, à l'oxydation et aux agressions climatiques. Ce caractère de matériaux neutres et inertes fait qu'elle ne présentent pas de danger pour l'homme et pour la nature. On les utilise d'ailleurs largement pour les équipements sanitaires, médicaux ou alimentaires.

Les principales céramiques

Produit	Propriétés	Utilisations
alumine (oxyde d'aluminium Al2O3)	bonne tenue mécanique aux températures élevées, bonne conductivité thermique, grande résistivité électrique, grande dureté, bonne résistance à l'usure, inertie chimique	isolateurs électriques, supports d'éléments chauffants, protections thermiques, éléments de broyage, composants mécaniques, bagues d'étanchéité, prothèses dentaires, composants de robinetterie
borure d'aluminium AlB2		renforcement des composites métalliques
carbure de bore B4C		blindages de chars d'assaut et d'hélicoptères
carbure de silicium ou carborundum SiC	grande dureté, bonne résistance aux chocs thermiques, grande conductivité thermique, faible dilatation thermique, excellente inertie chimique	réfractaires, résistances chauffantes, outils de coupe, pièces de frottement, joints d'étanchéité des pompes à eau, support de catalyseur, abrasifs
carbure de tungstène		Pièces d'usure, outils de coupe, guide-fils, glaces de joints d'étanchéité
cordiérite (silicate alumineux ferro-magnésien)	bonne résistance aux chocs thermiques, bonne conductivité thermique	isolants électriques, échangeurs thermiques, éléments chauffants
mullite Al6Si2O13	bonne résistance aux chocs thermiques, conductivité thermique faible, résistivité électrique importante	produits réfractaires.
nitrure d'aluminium AlN	conductivité thermique élevée, bonne résistance électrique, transparent aux longueurs d'onde du visible et de l'infra-rouge	circuits imprimés, colonnes thermiques, fenêtres pour radar, creusets pour la fonderie
nitrure de bore NB	haute conductivité thermique, faible dilatation thermique, excellente résistance aux chocs thermiques, haute résistance diélectrique, faible constante diélectrique, inerte chimiquement, transparent aux micro-ondes, facilement usinable	isolants électriques à très hautes températures, creusets pour la fonderie, garnitures de fours, gaines de thermocouples, supports de résistances, lubrifiant à haute température.
nitrure de silicium Si3N4	grande dureté, bonne résistance à l'usure et à l'abrasion, bonne inertie chimique, bonne résistance aux chocs thermiques. Il existe deux types de nitrure de silicium : lié par nitruration de poudre de silicium comprimée ou par pressage de la poudre de nitrure de silicium à température élevée (frittage)	poudres abrasives, outils de coupe, réfractaires pour la sidérurgie, billes de roulements, bagues d'étanchéité pour le moulage des métaux, soupapes de moteurs
oxyde magnétique de fer Fe3O4		transformateurs, selfs, stockage magnétique des données
oxyde de magnésium MgO	résistance aux métaux fondus, bonne résistance mécanique	traitement des matériaux piézoélectriques, réfractaires, composants optiques
oxyde d'uranium UO2		combustible dans les réacteurs nucléaires
oxyde de zinc ZnO		utilisé dans les diodes pour ses propriétés électriques, voir Varistance
pérovskites vaste famille de matériaux cristallins de formule (A)(B)O3 comme BaTiO3, CaTiO3, SrTiO3 ou (PbSr)TiO3, Pb(Zr0.5Ti0.5)O3		diélectriques pour la fabrication de condensateurs multicouches, thermistances, transducteurs piézoélectriques
sialon solution solide de nitrure de silicium, de nitrure d'aluminium et de d'oxyde d'aluminium
silicates d'aluminium (argiles)		* céramiques du bâtiment, briques, tuiles, carreaux, éviers, bacs à douches, cuvette de WC, tuyaux céramiques des arts de la table, terre cuite, faïence, grès, porcelaine, assiettes, bols, plats céramiques artistiques, sculptures, terre cuites, vases, lampes
stéatite (silicate de magnésium (SiO4)Mg2)	bonne résistivité électrique	isolants électriques
zircone (oxyde de zirconium ZrO2)	excellentes propriétés mécaniques aux températures élevées, conductivité thermique faible à température ambiante, conducteur électrique à T > 1.000°C, grande dureté, bonne résistance à l'usure, bonne inertie chimique, bonne résistance aux attaques des métaux. Il en existe deux sortes zircone non stabilisée, utilisée en tant qu'additif, matériau de revêtement, poudre abrasive zircone stabilisée à l'yttrium (ZrO2/Y2O3 = TZP) ou à la magnésie (ZrO2/MgO = PSZ).	creusets, buses de coulée, éléments chauffants, revêtement anti-thermique, conducteurs ioniques, prothèses dentaires

Les verres, les émaux, certains types de ciments et de liants hydrauliques, sont souvent associés aux céramiques en raison de leurs propriétés et de leurs utilisations très comparables.

Utilisations des céramiques

Bâtiment

Les céramiques à base d'argile sont largement utilisées pour fabriquer des briques, des tuiles, des canalisations, des carrelages, etc.

Produits blancs

On désigne sous ce nom essentiellement des faïences et des porcelaines. Ces produits constituent les assiettes, tasses et autres éléments des services de table, mais aussi les sanitaires, les porcelaines servant d'isolants électriques ou les céramiques murales décoratives.

Abrasifs

Les céramiques sont utilisées pour fabriquer des meules, des papiers abrasifs ou des poudres à projeter. On fait intervenir des produits naturels comme la silice, le diamant, ou des produits synthétiques comme le carbure de silicium ou l'alumine. Les abrasifs sont utilisés pour les opérations de meulage, de rectification, de coupe, de polissage ou de superfinition.

Construction électrique et électronique

Les céramiques sont largement utilisées pour la fabrication de condensateurs, d'isolateurs, de supports d'appareillages et de circuits, de matériaux piézoélectriques et magnétiques et dans le domaine des supraconducteurs.

• Alumine

De nombreux composants électroniques comportent des parties en céramiques, principalement à base alumine (de 80 à 95 %). On réalise ainsi des supports pour circuits intégrés, qui peuvent être découpés au laser et munis d'ouvertures ou de trous réalisés à la demande. Des boîtiers hermétiques possèdent à la fois une bonne résistance mécanique, une conductivité thermique élevée et une étanchéité quasi parfaite. Certains substrats en alumine peuvent être traités pour adhérer aux métaux, en vue d'applications comportant des soudures ou des brasures. Des tubes et des bâtonnets servent de support à des résistances à couches de carbone, à couche métallique ou bobinées.

Médecine

Leur inertie chimique et leur biocompatibilité en font des candidats valables pour les prothèses chirurgicales et dentaires.

Optique

Les propriétés optiques de certaines céramiques permettent leur utilisation dans les lampes à vapeur métallique, dans des lasers, ainsi que dans des détecteurs infrarouge.

Génie thermique

Leur faible conductivité thermique fait qu'elles sont utilisées comme isolants thermiques ou matériaux réfractaires, aussi bien pour la construction de parois de fours que pour fabriquer les tuiles du bouclier thermique des navettes spatiales ou pour recouvrir des aubes de turbines de réacteurs. Il peut s'agir de produits « monolithiques » comme des briques ou des blocs de formes diverses, mais aussi de produits fibreux, tissés ou non. Leur usage est courant dans la sidérurgie, l'industrie des métaux non ferreux, les systèmes de conversion d'énergie, les pétroles, les industries chimiques, la construction aéronautique et spatiale.

Dans les années 1980, la société Toyota a mis au point un moteur en céramique pouvant supporter une température supérieure à 3.300 °C. Ce type de moteur n'a pas besoin d'être refroidi, il permet un gain de rendement et de poids très important par rapport aux moteurs à explosion classiques. Cependant, il n'a pas eu d'applications commerciales du fait des nombreuses difficultés industrielles rencontrées lors de sa fabrication, en particulier pour l'obtention de matières premières d'un degré de pureté suffisant.

Tribologie

Les propriétés particulières des céramiques peuvent également être utilisées pour réduire les frottements entre les pièces mécaniques et lutter contre l'usure. On les trouve à l'état massif ou sous forme de revêtements pour des éléments de moteurs, des éléments de guidage, des outils de coupe et de nombreuses pièces qui doivent résister à l'usure. Ces questions sont étudiées dans plusieurs chapitres du livre de tribologie :

pour en savoir plus : matériaux utilisables pour le frottement

pour en savoir plus : usure des surfaces

pour en savoir plus : roulements à billes en céramiques

Applications diverses

• appareils de détection des gaz, de l'humidité,
• catalyseurs,
• réalisation d'électrodes,
• réalisation de formes et de moules pour la fabrication d'objets au trempé, par exemple des gants de caoutchouc.

Les matières premières

Les divers procédés utilisables doivent nécessairement tenir compte de la nature des matières premières brutes que l'on souhaite utiliser et des méthodes qui servent à les mettre en forme et à les traiter par la chaleur. La plupart des céramiques sont obtenues à partir de matériaux d'origine naturelle, relativement faciles à obtenir et peu coûteux, mais contenant beaucoup d'impuretés. Si celles-ci sont nuisibles, il est possible de les éliminer grâce à divers traitements physiques et chimiques mais les coûts augmentent en conséquence.

Bien qu'il existe une large gamme de matières premières utilisable, l'industrie des céramiques traditionnelles repose essentiellement sur l'usage de l'argile qui apporte la plasticité, du feldspath qui fond à température relativement basse et de la silice qui peut se vitrifier malgré son caractère fortement réfractaire. D'autres espèces minérales interviennent également, par exemple l'alumine, les silicates d'aluminium, le talc et les matériaux analogues, les abrasifs, etc. Le choix des composés naturels est fortement dicté par leur abondance dans la croûte terrestre et par leurs caractéristiques géochimiques. À partir du moment où l'on considère que l'oxygène, le silicium et l'aluminium constituent ensemble 90 % de la croûte terrestre, il n'est pas étonnant des les retrouver en abondance dans la composition des céramiques.

Les argiles

Elles sont constituées de très files particules d'aluminosilicates hydratés qui deviennent plastiques une fois mélangés avec de l'eau. Leurs propriétés varient notablement selon des critères chimiques, physiques et minéralogiques. Leur rôle dans les pièces de céramiques est très important, en ce sens qu'elles permettent une mise en forme facile mais qu'une fois séchées elles acquièrent une solidité qui leur permet de résister à la cuisson. Les argiles très pures sont très réfractaires mais celles qui sont riches en impureté ont une température de fusion généralement plus basse. On distingue trois groupes principaux de type kaolinite, montmorillonite et illite (mica hydraté). Plus récemment on a mis en évidence le groupe des chlorites qui se trouvent dans de nombreux dépôts sédimentaires.

Les procédés de mise en forme

Extrusion

Schéma simplifié de la technique d'extrusion. 1 : vis, 2 : pâte plastique à mettre en forme, 3 : filière à taille réglable, 4 : matériau mis en forme

Applications techniques

pour en savoir plus : Céramiques techniques usinables

pour en savoir plus : Papier céramique

Sociétés savantes et associations

• Groupe Français de la Céramique (affilié à l'European Ceramic Society)

LMP - UVHC, Bâtiment PECMA, Z.I. Champ de l'Abbesse 59600 MAUBEUGE

Tél : 03 27 53 16 60

Fax : 03 27 53 16 67

Site : http://www.univ-valenciennes.fr/gfc

Mail : gfc@univ-valenciennes.fr

Fournisseurs

• Gimex technische keramiek bv (Pays-Bas): http://www.gimex.nl/
• CeramTec Hoechst (Allemagne) : http://www.ceramtec.com/
• Ceramic and Heating Elements Company (Cerhec, France) : http://www.cerhec.com
• Zircotec (Royaume-Uni) : http://www.zircotec.com/
• Akeoplus (France) : http://www.akeoplus.com/materiaux/
• Doceram (Allemagne) : http://www.doceram.cn/index_en.html

Centres de formation

• École Nationale Supérieure de Céramique Industrielle
• Lycée professionnel de la Céramique de Longchamp
• Lycée Henri Brisson de Vierzon
• Lycée des Métiers Le Mas Jambost de Limoges