Céramique
Le mot céramique provient du grec ancien κέραμος (keramos) qui signifie « terre à potier », « argile ». Il a donné son nom à un quartier d'Athènes, le Céramique.
Il s'applique à l'étude des matériaux céramiques, que ce soit dans son sens traditionnel de poterie ou dans une acception plus moderne (matériaux à base d'oxydes, de carbures, de nitrures ...). Un matériau céramique est solide à température ambiante et n'est ni métallique, ni organique.
Les objets en céramique sont réalisés par solidification à haute température d'une pâte humide plastique, ou agglutination par chauffage d'une poudre sèche préalablement comprimée, sans passer par une phase liquide ; par extension, on désigne sous le terme « céramique » les objets eux-mêmes ainsi fabriqués (les céramiques de Vallauris, par exemple, sont très connues).
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Histoire de la céramique
Voir Typologie de la céramique grecque et romaine
Propriétés des céramiques
Les objets en céramique sont habituellement durs et résistants. Cependant, de petites imperfections dans la céramique peuvent rendre ces matériaux fragiles. Dans certaines conditions, comme des températures extrêmement basses, certaines céramiques deviennent des supraconducteurs.
Les céramiques peuvent garder leur solidité même à des températures très élevées. Elles ont généralement une conductivité thermique faible et sont utilisées comme isolants thermiques ou matériaux réfractaires, comme par exemple dans le bouclier thermique des navettes spatiales. Dans les années 1980, l'entreprise Toyota a mis au point un moteur en céramique pouvant supporter une température supérieure à 6000°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'est pas produit en grande série du fait de nombreuses difficultés industrielles (notamment du fait du degré de pureté nécessaire).
Exemples de matériaux céramiques
Pour les applications dans les domaines du frottement et de l'usure, voir le chapitre détaillé du Wikilivre de tribologie consacré aux matériaux utilisables pour le frottement.
- 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.
- Applications : isolateurs électriques, supports d'éléments chauffants, protections thermiques, éléments de broyage, composants mécaniques, bagues d'étanchéité.Prothèses dentaires
- 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).
- Applications : poudres abrasives, outils de coupe, réfractaire pour la sidérurgie, billes de roulement, bagues d'étanchéité pour le moulage des métaux, soupapes (automobile).
- Applications : blindage des tanks et des hélicoptères.
- carbure de silicium ou carborundum SiC : grande dureté, bonne résistance aux chocs thermiques, grande conductivité thermique, faible dilatation thermique, excellente inertie chimique.
- Applications : réfractaires, résistances chauffantes, outils de coupe, pièces de frottement, joints d'étanchéité des pompes à eau, support de catalyseur.
- cordiérite (silicate alumineux ferro-magnésien) : bonne résistance aux chocs thermiques, bonne conductivité thermique.
- Applications : isolants électriques, échangeurs thermiques, éléments chauffants
- mullite Al6Si2O13 : bonne résistance aux chocs thermiques, conductivité thermique faible, résistivité électrique importante.
- Applications : produits réfractaires.
- nitrure d'aluminium AlN : conductivité thermique élevée, bonne résistance électrique, transparent aux longueurs d'onde du visible et de l'infra-rouge.
- Applications : circuits imprimés, colonnes thermiques, fenêtres pour radar, creusets pour la fonderie.
- zircone (oxyde de zirconium ZrO2) : excellentes propriétés mécaniques aux températures élevées, conductivité thermique faible à température ambiante, conducteur électrique à T > 1000°C, grande dureté, bonne résistance à l'usure, bonne inertie chimique, bonne résistance aux attaques des métaux. Il existe deux types : zircone non stabilisée, utilisée en tant qu'additif, matériau de revêtement, poudre abrasive ... et zircone stabilisée à l'yttrium (ZrO2/Y2O3 = TZP) ou à la magnésie (ZrO2/MgO = PSZ).
- Applications : creusets, buses de coulée, éléments chauffants, revêtement anti-thermique, conducteurs ioniques.Prothèses dentaires
- 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.
- Applications : isolants électriques à très hautes températures, creusets pour la fonderie, garnitures de fours, gaines de thermocouples, supports de résistances, lubrifiant à haute température.
- borure d'aluminium AlB2.
- Applications : matériau de renforcement dans les composites métalliques.
- oxyde de magnésium MgO : résistance aux métaux fondus, bonne résistance mécanique.
- Applications : traitement des matériaux piézoélectriques, réfractaires, composants optiques.
- oxyde de zinc ZnO.
- Applications : utilisé dans les diodes pour ses propriétés électriques.
- oxyde magnétique de fer Fe3O4.
- Applications : utilisé dans les transformateurs et le stockage magnétique des données.
- pérovskites : elles constituent une vaste famille de matériaux cristallins de formule (A)(B)O3 comme BaTiO3, CaTiO3, SrTiO3 ou (PbSr)TiO3.
- Applications : diélectriques pour la fabrication de condensateurs multicouches, thermistances, transducteurs...
- stéatite (silicate de magnésium (SiO4)Mg2) : bonne résistivité électrique.
- Applications : isolants électriques.
- silicates d'aluminium (argiles).
- Applications :
- 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...
- Applications : combustible dans les réacteurs nucléaires.
- les verres, les émaux, certains types de ciments et de liants hydrauliques, sont souvent associés aux céramiques à cause de leurs propriétés et de leurs utilisations très comparables.
Formation d'ingenieurs dans ce domaine
Ecole Nationale Supérieure de Céramique Industrielle, plus d'informations sur http://www.ensci.fr