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Module M227 Matériaux non métalliques Crédit 1ECTS Marc François Partie 2/3 Ver

Module M227 Matériaux non métalliques Crédit 1ECTS Marc François Partie 2/3 Verres et céramiques 1. Chimie et microstructure Géode : refroidissement rapide →verre refroidissement lent→cristal Généralités • Matériaux inorganiques… • Liaisons fortes (covalentes ou ioniques) • Structures : Monocristal = cristaux Polycristal = céramiques Amorphe continu = verres Amorphe discontinu = céramiques vitreuses (rare) Exemples Monocristal Verre Céramique Cér. vitreuse SiO2 Al203 Quartz, améthyste,… Rubis, saphir, topaze… Alumine Alumine vitreuse (expérimental) Verre d’alumine (2004) 2. Rupture statistique Bases • Observation (L. De Vinci) : pour un verre, une pierre, une céramique… la contrainte limite Re dépend du volume. • Weibull (1951) : théorie statistique. • Un petit volume a moins de chance de posséder de gros défauts. 0 0.5 1 1.5 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 • Probabilité de rupture • Probabilité de survie Modèle de Weibull (1) σ σ0 Pr m=50 (métaux) m=5 (céramiques) m=10 (céramiques) Pr(V0) = 1 −exp − σ σ0 m 63 % exp(−1) = 1 e 0, 37 V0 σ Ps(V0) = 1 −Pr(V0) = exp − σ σ0 m • Pour un volume double : • donc : Modèle de Weibull (2) Ps=1/2 Ps=1/2 Ps=1/2 Ps=1/4 = exp − σ σ0 mn = exp −n σ σ0 m Ps(V ) = exp −V V0 σ σ0 m Pr(V ) = 1 −exp −V V0 σ σ0 m Ps(2V0) = Ps(V0)2 Ps(nV0) = Ps(V0)n V = nV0 Pour un volume V quelconque : http://www.techno.ens-cachan.fr/ 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Modèle de Weibull (3) • Quand V→∞ Pr→1 • Quand V→0 Pr→0 : ﬁbres. Pr = 1 −exp −V V0 σ σ0 m V V0 Pr Pour m = 5 σ = 3 4σ0 σ = 5 4σ0 σ = σ0 Modèle de Weibull (4) • Identiﬁcation rapide (TD) log(σ) Pr Exemple : deux calcaires… http://www.techno.ens-cachan.fr/accueil.php?page=afﬁche_ressource&id=108&page2=annexe&numannexe=3 3. Céramiques Historique • Le nom vient de kéramos (poterie en grec) • Plus ancien que le verre ou le métal : • Première céramique -25.000 (Rep. Tchèque) • Porcelaine 220 (Chine) Céramique Jomon, -2500 (Japon) Porecelaine Ming ~1500 (Chine) • Céramique : terre cuite, transfo. physico- chimique • Faïence : céramique à base d’argile • Porcelaine : mélange de quartz, feldspath et kaolin. Cuisson à T>1300°C. Du kaolin Des briques de terre cuite Du feldspath Outil de coupe en céramique Fabrication Principe • Cristaux Al2O3, Si3N4, ZrO2… T° de fusion > 2000°C → pas de moulage • Pas de déformations plastiques à froid, un peu à chaud • Mais processus de diffusion à chaud : le frittage (~soudage des grains) • Auparavant : mise en forme d’un «vert» (~sable mouillé) Matières premières • Extraction minière • Broyage • Mélange et dosage des éléments Broyeur à marteaux (doc. Aubema) Mine de Mullite (Kyanite Mill. Corp.) Procédés sans compaction • Traditionnel, artistique, formes complexes • Coulée à froid d’un vert, puis cuisson. • Caractéristiques mécaniques faibles Exemple : procédé d’obtention du vert dans un moule en plâtre Procédés avec compaction • Céramiques techniques • Compactions uniaxiales, triaxiales… • Moulage (après mélange avec de l’eau ou un polymère fusible pour ﬂuidiﬁer) • Extrusion Uniaxiale 1 à 10 kbars Triaxiale P Moule ﬂexible (polyuréthane) Tubes en céramique extrudée (Haldenwanger) Frittage • On chauffe à T<Tfusion, (1000-2000°C) • Par diffusion, les grains se soudent entre eux • La structure est donc polycristalline • Les joints de grains sont des zones fragiles • La disparition des vides entraîne un retrait frittage d’une céramique (microscope électronique) Porosité Sn02 (porosité 40%) Ti02 (porosité 3%) Domaine électronique Revêtements Inﬂuence de la porosité Couramment 20% de porosité. Compaction à chaud • Le frittage se fait en même temps que la compaction, à chaud • Ex. SiC : 2000 °C Abrasif : carborundum (meules) Céramique : ex. ﬁltre à particules diesel (FAP) Filtre FAP (IBIDEN DPF France) Hexoloy (Saint Gobain) Meule carborundum (simple collage des grains) Céramiques biphasées Al2O3 + Cr2O3 SiO2 + Al2O3 Caractéristique communes Matériaux les plus durs Mais fragiles… ! Énergie de surface CEA Gc = 2γs = K2 1c E Autres propriétés • Résistance à l’usure • Résistance aux hautes températures • Faible conductivité thermique • Isolantes • Certaines sont piézoélectriques, d’autres supraconductrices… Quelques céramiques Oxydes Alumine • Al2O3 • Résistance 2500 MPa • Dureté 1600 Hv • Tf 2000°C • Isolateurs, support d’éléments chauffants,abrasifs… Oxyde de zirconium • ZrO2 • monocristal : zircone • Tf = 2700°C • Dureté élevée 1700 Hv • Céramiques dentaires, ﬁltres, pièces d’usure : vannes «céramique» Titanate d’aluminium • Al2TiO5 et Al2O3TiO2 • Résistance au choc thermique • Résistance aux métaux fondus • T<1000° ex. : ﬁltres à particules de diesel PZT (titano-zirconate de plomb) • Céramiques piézoélectriques • Conversion tension - déformation Haut parleur d’aigus (tweeter) Capteur de pression Platine piézo (précision 0,1 nm) Autres en poudre • Magnésie MgO Très résistant à la température : T<2000°C Tf = 3073°C Dans les briques réfractaires • UO2 : combustible nucléaire Combustible nucléaire : pastilles d’UO2 (empilées dans des tubes de zirconium) Silicates Porcelaine Laure Selignac Tyco Electronics • Mélange de quartz, feldspath et kaolin • Produits artistiques, arts de la table… • Isolation électrique • 450 MPa en compression, 50 en traction Autres • Silicate d’aluminium (argiles) : Briques, tuiles, carreaux, éviers… • Stéatite, talc : MgO-SiO2 • Mullite 3Al2O3.2SiO2 T<1725°C : réfractaire Pièces pour fonderie à base de mullite (Dyson Precision Ceramics) Lavabo (bainetspa) Carbures (Cermets) Carbure de tungstène • WC : CerMet (métal céramique) • Tf = 2870°C • Dureté 2400 Hv • Remplace l’acier pour les outils de coupe (progressivement depuis ~1940) • Grande résistance à l’usure • Très dense (ρ=15.600 kg/m3) Carbure de silicium • SiC, n’existe pas dans la nature • Carborundum (abrasif) • Semi-conducteur • Tf = 3000°C • Très dur : 2500 Hv • Fibres de SiC (Nicalon) Carbure de bore • B4C • Deuxième matériau le plus dur : 3200 Hv • Densité 2520 • Tf = 2450 °C • Buses de sableuses, blindages militaires, outils de coupe (revêtements) Diamant • C. En feuillets : graphite, cristallin : diamant. • Monocristal (synthétique ou naturel). Matériau le plus dur. Tf = 3550°C. Le plus conducteur de la chaleur. • Polycristal Dur, mais T<1000°C Couche de diamant polycristallin (EPFL) Fraise avec lames PCD Nitrures (Cermets) Sialon • nitrure de silicium, nitrure d'aluminium et oxyde d'aluminium • grande tenue à la chaleur T>1000°C • ﬁbres • 1800 Hv NTK Cutting tools Nitrure de silicium • Si3N4 • Dur 1500 Hv • Résistant aux chocs • Billes de roulements céramique Roulement acier/ céramique (ssbearings) Roulement céramique (lily-bearing) Booster (Wikipedia) Nitrure de bore • BN • Structure graphitique 400 Hv, lubriﬁant • Structure diamant (cubique). ?? Hv, juste sous le diamant Saint Gobain 4. Les verres Histoire Amphores romaines du 6è sciècle • Obsidienne : verre naturel • 3000 av. J.C.Mésopotamie (Irak) • Verre soufﬂé 1er siècle • Verre à vitre : romains puis 15ème sciècle Composition Verre ordinaire sodo-calcique Verre boro-silicaté 70% SiO2 + 10% CaO + 15% Na2O 80% SiO2+15% B2O3 + 5% Na2O Vitres, bouteilles Alimentaire ou chimique : Pyrex® Na2O est l’agent fondant (800° au lieu de 1650°) Mais aussi Al2O3 (ﬁbres) K2O et PbO (cristal)… Base : silice SiO2 (70% de la croûte terrestre…) et chaux CaO Énigmes • Le verre est un liquide solidiﬁé • La viscosité varie d’un facteur 1014 (!!) quand on passe de T<Tg à 2T>Tg. • Énigmes : pourquoi ? Le verre coule-t-il ? Phys. Rev. Letters (2003) D. Bonamy. Endommagement nanométrique ? Caractéristiques mécaniques • E ≈ 70 GPa • σr ≈ 3500 MPa en théorie !!! Effet de volume (Weibull) très marqué (m≈5). • ρ = 2500 kg/M3 • Ténacité ≈ 1 MPa√m Essai Vickers sur du Verre (LPM Nancy) Intérêts • Transparence et hauts indices • Longévité • Prix • Recyclage Traitements • Verre trempé : surface en compression (intérieur en tension). Insensibilité à la rayure. • Verre feuilleté : ﬁlm polymère entre deux couches. En cas de chocs la structure conserve son intégrité. • Durcissement en surface (diamant…). Mise en forme • En phase pâteuse ~800°C • Soufﬂage (traditionnel, artistique) • Moulage • Thermoformage… Vase tulipe (Daum) 5. Les bétons Cristal de portlandite (ECP) Déﬁnitions • Ciment portland : Chaux CaO+Silice SiO2+Alumine Al2O3 • Calcaire → chaux Argiles → les autres • Cuisson à 1450°C → silicate de calcium hydrauliques • Réaction avec l’eau (hydratation) : le ciment est une colle. • Mortier : ciment + sable • Béton : ciment + sable + granulats Histoire • Romains : chaux et cendres pouzzolaniques. Mortiers et bétons. • Oubli… • L. Vicat (1817) découvre le principe d’hydraulicité des chaux. • Ciment Portland 1840 • Essor : 1è et 2è guerre mondiale Aqueduc romain d’Arcueil (fr.Structurae.de) Premier pont en béton de L. Vicat (1853) Production • Extraction du calcaire CaCO3 (80%) et de l’argile SiO2- Al2O3 (20%) • Concassage • Cuisson à 1450°C et trempe → clinker • Broyage Un broyeur à boulets (lebeton.free.fr) 6. Le broyage du cru uploads/Ingenierie_Lourd/ ceram-i-ques.pdf