Introduction à la science des matériaux/Les céramiques

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Introduction

Poterie datant du Néolithique (entre -5000 et -3000), Chine

Les céramistes disent par autodérision qu’ils pratiquent le plus vieux métier du monde : les poteries font partie des plus anciennes traces d'activité humaine. Historiquement, les céramiques, terres cuites, ont été utilisées :

• pour la facilité de mise en œuvre : façonnage de la terre glaise (poterie) et cuisson ;
• pour leur dureté, leur résistance à l'abrasion : carrelage et mosaïques de sol ;
• pour leur résistance mécanique en compression : briques ;
• pour leur résistance aux températures élevées : fours, pots de cuisson ;
• pour leur couleur : émaux ;
• pour leur résistance chimique : tuiles.

Leur usage a été limité par leur fragilité, leur faible résistance aux chocs (faible résilience, faible ténacité).

Dans l’industrie moderne, les céramiques prennent de plus en plus d'importance, soit pour des applications spécifiques, soit en remplacement d'autres matériaux. On a vu un engouement pour les céramiques à usage mécanique au début des années 1980 avec le projet de « moteur céramique », qui n'a jamais abouti et a débouché au contraire sur un scepticisme. L'effort de recherche sur ce projet a toutefois permis un grand développement des applications mécaniques des céramiques.

Définition et classement

On peut définir les céramiques comme étant des matériaux inorganiques, non métalliques, nécessitant de hautes températures lors de leur fabrication. Il s'agit en général d'oxydes métalliques, et plus généralement de métaux oxydés, mais pas uniquement. Les céramiques ont en général une structure cristalline, parfois associée à une phase amorphe. Lorsque la majorité est amorphe, on parle de vitrocéramique ; lorsque la totalité est amorphe, on parle de verre.

On peut classer les céramiques selon leur application :

• céramiques traditionnelles, à usage alimentaire, pour le bâtiment ou l'ornementation : poterie, vaisselle, faïence, porcelaine, carrelage, briques, tuiles ;
• céramiques techniques ou industrielles :
  • céramiques électroniques (faibles courants), ou céramiques fonctionnelles :
    • céramiques diélectriques (isolantes),
    • céramiques piézoélectriques,
    • céramiques conductrices,
    • céramiques magnétiques,
    • céramiques supraconductrices,
  • pour applications électrotechniques (fortes puissances),
  • céramiques réfractaires, pour applications thermiques,
  • pour les applications mécaniques :
    • céramiques structurales,
    • pour l'usinage : abrasif (polissage), outils de coupe (plaquette de carbure),
  • supports de catalyseur, pour l’industrie chimique et les pots catalytiques,
  • pour les applications optiques : transparence, émission de lumière,
  • pour le nucléaire : combustible nucléaire.

On peut aussi classer les céramiques selon leur mode d'élaboration et la forme finale :

• produits façonnés : pièce livrée sous sa forme définitive,
  • pièces fritée sous pression atmosphérique,
  • pièce frittée sous pression (HIP, hot isostatic pressing),
  • pièce électrofondue ;
• produits non façonnés (PNF) :
  • produit livré sous la forme de mortier destiné à être coulé ou projeté puis « cuit » sur place,
  • projection thermique de céramique pour revêtir un pièce.

On peut enfin les classer selon leur composition chimique :

• monolithiques :
  • oxydes :
    • produits siliceux (SiO₂),
    • produits alumineux, avec 30 à 100 % d'alumine (Al₂O₃) :
      • aluminosilicates (argile, mullite),
      • alumine-zircone-silice (AZS),
      • alumine-oxyde de chrome-silice (ACS),
      • alumine-oxyde de chrome-zircone-silice (ACZS),
      • haute teneur en alumine,
    • produits basiques, à base de magnésie (MgO),
    • produits spéciaux : zircone (ZrO₂), Y-TZP (yttrium stabilized tetragonal zirconia polycristals) ;
  • non-oxydes :
    • carbures,
    • nitrures,
    • borures ;
• composites : matrice céramique à renfort céramique, par exemple par de la zircone (ZTA, zirconia toughened alumina, Mg-PSZ, magnesia partially stabilized zirconia), ou matrice céramique à renfort métallique (cermet).

Modes de fabrication

La fabrication des céramiques part d'une poudre. Pour les céramiques traditionnelles, il s'agit de matières premières naturelles (terre glaise, argile, kaolin). Pour les céramiques techniques, ce sont des poudres micrométriques obtenues par synthèse chimique ; on parle souvent de « céramiques fines ».

Dans la plupart des cas, on met en forme cette poudre avant de la « cuire » :

• soit on travaille la poudre sous forme de pâte, en y ajoutant un peu d'eau ou un liant organique qui sera éliminé lors de la cuisson ; cette pâte peut être travaillée à la main (poterie traditionnelle) ou injectée dans un moule ;
• soit on la travaille sous forme de barbotine, c'est-à-dire d'une suspension dans l'eau, en ajoutant beaucoup d'eau et un défloculant (silicate de sodium) ; ce liquide est versé dans un moule absorbant l'eau (par exemple en plâtre) et forme une couche mince sur les parois que l’on peut démouler près séchage ;
• soit on remplit un moule de poudre sèche.

Cet objet est appelé « ébauche ».

Empilement compact de grains sphériques, laissant environ 26 % d'espace vide (porosité)

Soudure de deux grains lors du frittage

La cuisson est appelée frittage (sintering). Au cours de cette opération, les grains se soudent entre eux, sans qu’il y ait un passage par une phase fondue. Le frittage « simple » laisse un grande porosité : on conserve les espaces entre les grains.

Le frittage sous pression (HIP, hot isostatic pressing) consiste à mettre la poudre sous pression (environ 1 000 bar, 100 MPa) pour que la porosité se referme. On utilise un gaz inerte, en général de l'argon. On a une diminution des dimensions de 10 à 15 % linéaires (25 à 40 % volumique). Lorsque l’on a un mélange de poudres de compositions différentes, on a parfois des réactions chimiques lors du frittage (frittage réactif).

Les produits non façonnés (PNF) sont des céramiques à usage essentiellement réfractaire, utilisés pour protéger des pièces contre la chaleur, par exemple des parois de four. Ils sont fournis aux clients en sac, prêt à l'emploi. Le client en fait un mortier en le mélangeant avec de l'eau. Le mortier est coulé ou projeté puis on le laisse sécher. La mise en route du four doit se faire de manière très précise car elle réalise le frittage in situ, et donc conditionne la solidité du revêtement.

Sur des pièces métalliques, on peut recourir à la projection thermique pour créer un revêtement de quelques dizaines de micromètres à plusieurs millimètres. La poudre est injectée dans une flamme ou un plasma (gaz traversé par un arc électrique), le gaz de la flamme ou du plasma projetant les gouttelettes sur la pièce à recouvrir. Les gouttelettes s'écrasent et forment des plaquettes qui s'empilent. Grâce au refroidissement à l'air comprimé, la température de la pièce reste modérée (de l’ordre de 100 °C). Du fait de la structure obtenue, poreux et sous forme de plaquettes, le revêtement a une faible résistance mécanique, mais présente une excellente isolation thermique et une bonne résistance aux chocs thermiques.

Dans certains cas, la poudre est fondue et moulée. On utilise la fusion électrique : la chaleur est obtenue en faisant passer du courant dans des électrodes de carbone, on parle de céramiques électrofondues. La fusion à l'arc électrique est aussi utilisée pour l'acier de recyclage (acier électrique) et l'aluminium, mais on atteint ici des températures beaucoup plus élevées, entre 1 800 et 2 500 °C. La céramique est coulée dans un moule en sable (usage unique), en graphite (réutilisable plusieurs fois) ou en acier refroidit à l'eau (moule permanent). On fait un refroidissement très lent en four, de 1 à 18 jours, appelé « recuisson ». À l'instar de la fonderie de métal, on a un retrait important, de l’ordre de 15 % en volume (5 % linéaire), donnant des retassures.

L'assemblage des céramique est problématique. On procède souvent par brasage : « collage » par un métal fondu, sans qu’il y ait fusion des matériaux pièces à assembler. On peut ainsi assembler deux céramiques ou bien une céramique et un métal, et avoir une étanchéité. La différence de coefficient de dilatation entre les matériaux (pièces et brasure) génère des contraintes lors du refroidissement, contraintes qu’il faut maîtriser. Dans le cas d'un garnissage réfractaire, on peut assembler les briques avec un mortier de jointoiement. Les assemblages vissés sont possibles, mais la déformation élastique des pièces ainsi que l'adhérence de l'écrou ou de la tête de vis sur la pièce sont importants pour assurer le serrage ; or, les céramiques se déforment peu (module de Young E élevé) et ont en général un faible coefficient d'adhérence avec les autres matériaux.

Développement de nouvelles applications

Le développement de nouvelles applications demande des investissements importants. En effet, du fait des spécificités des céramiques, il faut résoudre les problèmes :

• de fabrication des poudres initiales : composition, taille des grains ;
• frittage, en particulier réactions entre grains de composition différentes, et taille finale des grains, qui conditionne de manière importante les propriétés mécaniques (en particulier résistance à la propagation d'une fissure et fluage) ;
• mise en œuvre, et en particulier la mise en forme de pièces de formes complexes ainsi que le problème d'assemblage des pièces entre elles ;
• stabilité chimique : malgré leur réputation, les céramiques peuvent réagir avec leur environnement à haute température, en particulier les métaux.

On a fréquemment plus de dix ans entre le début des recherches et la mise en œuvre concrète à l'échelle industrielle.