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1 Master : Génie des Matériaux et Technologie des Céramique et des Ciments Rech

1 Master : Génie des Matériaux et Technologie des Céramique et des Ciments Recherche Sous le thème Réalisé par : Badr-eddine MSIK Coordinateur de la filière Prof. Taoufik GUEDIRA 2 Table des matières Introduction ................................................................................................................................ 4 I. Céramiques réfractaires ...................................................................................................... 5 A. Définition des céramiques réfractaires ........................................................................ 5 B. Structure des réfractaires ............................................................................................. 5 C. Compositions chimiques .............................................................................................. 6 II. RESISTANCE AUX CHOCS THERMIQUES: ................................................................ 8 A. Les facteurs influençant la résistance aux chocs thermiques ...................................... 8 1. L’effet de la taille de grains ..................................................................................... 8 2. Les dimensions de l’éprouvette................................................................................ 9 3. La porosité ............................................................................................................. 10 III. DESCRIPTION DES REFRACTAIRES ...................................................................... 12 A. Fonction assurée par les réfractaires .......................................................................... 12 B. Classification des céramiques réfractaires ................................................................. 12 IV. Classification des céramiques réfractaires selon leurs procédés de fabrication ............ 13 A. Réfractaires façonnés denses ..................................................................................... 14 1. Réfractaires aluminosilicates ................................................................................. 14 2. Réfractaires basiques.............................................................................................. 14 3. Réfractaires spéciaux ............................................................................................. 14 B. Réfractaires non façonnés (norme ISO 1927) ........................................................... 15 1. Réfractaires électro-fondus .................................................................................... 15 2. Réfractaires isolants ............................................................................................... 15 V. Propriétés générales des céramiques réfractaires ............................................................. 15 A. Propriétés thermiques ................................................................................................ 16 B. Propriétés mécaniques ............................................................................................... 17 C. Facteurs mécaniques divers ....................................................................................... 17 1. La dureté ................................................................................................................ 17 3 2. Porosité .................................................................................................................. 17 CONCLUSION ........................................................................................................................ 19 Références bibliographiques .................................................................................................... 20 4 Introduction Les propriétés mécaniques de la céramique sont les critères privilégiés de l’évaluation de ses qualités à l’échelle de l’industrie. Ces matériaux présentent des propriétés mécaniques uniques du point de vue de leur ténacité, de leurs résiliences, de leur résistance à la flexion, et ce pour des teneurs extrêmement faibles en phases organiques. Les propriétés les plus recherchées des céramiques à base de kaolin sont, leurs tenue en température (mullite, cordiérite, magnésie) généralement supérieure à 1500°C, en combinant des propriétés réfractaires avec une bonne stabilité chimique, notamment en environnement oxydant (éléments exposés à de hautes températures, couches de protection thermique, etc.), pour leur résistance au fluage (en raison de leur structure, les céramiques tendent à moins souffrir de dislocations ), leur résistance chimique (milieux agressifs acides, basiques ou à l’humidité), leur dureté plus élevée que celle des métaux, et pour leur isolation électrique ( très grande gamme de constantes diélectriques). Néanmoins, ces matériaux présentent souvent une résistance mécanique. Peu élevée. Pour améliorer cette propriété très importante, dans le cas de matériaux destinés à la construction et aux revêtements, il est nécessaire d’ajouter des renforts tels que des polymères, pour augmenter leur résistance en flexion et en compression et améliorer la micro-dureté des matériaux. La composition chimique, la minéralogie, la microstructure et la porosité sont des caractéristiques essentielles. La connaissance des propriétés thermomécaniques des matériaux et des sollicitations (choc thermique, érosion, blocage de dilatation…) des pièces et des revêtements soumis à des hautes températures sont également à considérer. Tous les matériaux réfractaires ont une caractéristique commune : leurs propriétés d’emploi sont fréquemment dépendantes de leur organisation à l’échelle mésoscopique, 5 I. Céramiques réfractaires A. Définition des céramiques réfractaires Le mot céramique vient du grec Keramikos et signifie argile ou terre potier, c’est l’art de façonner l’argile d’en fixer les formes par la cuisson, il désigne des matériaux non organiques, non métalliques, formés ou consolidés à haute température. Le matériau réfractaire est un terme technique signalant une résistance à la fusion à haute température (≥ 1500 °C) et présentant des résistances élevées à une influence chimique, physique ou biologique, qui est propre à chaque domaine technologique. Ils sont notamment utilisés dans, les hauts-fourneaux, les fours d'usines chimiques et de raffineries, les fours des industries verrières et céramiques, les fours élaborant les matériaux réfractaires eux-mêmes. La plupart d'entre eux sont des matériaux silico-alumineux. La définition conventionnelle adoptée internationalement fait référence à la résistance pyroscopique (la résistance pyroscopique est la température à laquelle une éprouvette conique faite du matériau à étudier s’affaisse d’une valeur donnée) des produits réfractaires. C'est-à- dire à leur ramollissement en fonction de la température. La définition ISO (International Standard Organization) (R836-68) est la suivante : « un réfractaire, matière réfractaire ou produit réfractaire, est constitué de matières et produits non métalliques (mais n’excluant pas ceux contenant un constituant métallique) dont la résistance pyroscopique est équivalente à 1500 °C au minimum » B. Structure des réfractaires La structure des réfractaires peut être cristalline ou amorphe et cela est due à l’empilement des atomes. La structure cristalline se subdivise en deux catégories :  La structure simple: se caractérise par une disposition cubique  La structure complexe: se caractérise par un empilement hexagonal (l’alumine) 6 Figure 1 : la structure de l’alumine-α (réseau d’ions oxygène avec les ions aluminium en petits cercles pleins et les sites vides en petits cercles vides). Figure 2 : Représentation de la maille primitive rhomboédrique de l’alumine-α (vecteurs de base ai) et de la maille hexagonale. C. Compositions chimiques Les céramiques réfractaires sont des silicates d’aluminium dont le pourcentage d’oxyde alcalins et alcalinoterreux (Ca, Mg, K, Na, Ba) est inférieur à 18 %. Au-delà de 1000°C, elles recristallisent et forment la cristobalite (silice cristalline). Cette dévitrification s’accroît avec la température.  La magnésie (MgO) est utilisée comme matériau réfractaire dans les fours. 7  Chaux, alumine, zircon, chromite (FeCr2O4) ou olivine ((MgFe)2 SiO4) sont parfois utilisés comme éléments réfractaires pour des moules dans la fabrication par moulage. Ce sont peut être aussi des combinaisons d’oxydes :  Kaolin (silice-alumine), argiles (silice-alumine-chaux), qu’on retrouve dans les céramiques, à commencer par les simples briques jusqu’aux faïences et porcelaines.  Chromite (oxyde chromique-oxyde de fer).  Une gamme de corps carbonés répond à ces exigences : graphite, carbure. La norme ISO 1109 classe les matériaux réfractaires selon la teneur du constituant principal: Réfractaires aluminosilicates : alumineuses, argileux, silico-argileux et siliceux. Réfractaires basiques : produits de magnésie, de magnésie-chrome, chrome- magnésie, de chromite, de fortérite et de dolomie. Réfractaires spéciaux : à base de carbone, de graphite, de zircon, de carbure de silicium, de carbures, de nitrures, de borures. 8 II. RESISTANCE AUX CHOCS THERMIQUES: L'aptitude d'un matériau à subir un choc thermique sans endommagement est la résistance au choc thermique; elle dépend non seulement des contraintes dans le corps et des phénomènes transitoires dépendant des conditions de refroidissement (ou de chauffage) mais aussi des caractéristiques du matériau telle que la ductilité, l'homogénéité, la porosité, la géométrie et les défauts préexistants. De ce fait, il est difficile de définir un paramètre de résistance au choc thermique valable pour tous les matériaux céramiques et pour toutes les conditions de tests ou de sollicitations en service. A. Les facteurs influençant la résistance aux chocs thermiques Les facteurs qui influent sur la résistance aux chocs thermiques sont nombreux. On peut citer la taille des grains (fine ou grosse), le volume de l’éprouvette (dimensions géométriques) qui traduit l’influence du coefficient de convection (h) sur les surfaces d’échanges (proportionnel), et la porosité (la forme des pores (sphérique, ovale), le type (ouvert ou fermé), la taille des pores, la distribution de la porosité). 1. L’effet de la taille de grains L’influence de la taille des grains sur la résistance aux contraintes thermiques des céramiques se manifeste de façon ambiguë. Pour étudier l’effet de taille de grains sur la résistance au choc thermique (calcul des champs de température, de contraintes et du facteur d’intensité de contraintes), il faut étudier l’effet des joints de grains. Donc il revient à faire varier le nombre de joints de grains pour un volume de matière donné : plus les grains sont gros, moins il y aura de joints de grains. Une température de frittage élevée et / ou un temps de palier élevé favorise le grossissement des grains La variation des dimensions de grains dans les échantillons frittés peut conduire à une modification des fissures et des pores. La formulation peut avoir une influence sur la taille des grains : une quantité élevée d'ajout organique dans la poudre laisse, après mise en forme et déliantage, plus de porosité dans le comprimé. Au cours du frittage cette porosité ne peut être comblée que par le grossissement des grains. Ainsi, à densité finale égale, un comprimé qui a été formulé avec beaucoup d'ajouts organiques aura des grains plus gros, comparé à un autre comprimé formulé avec moins d'ajout organique. 9 La compression à grande vitesse (CGV) permet l'obtention de comprimés céramiques plus denses et avec une microstructure plus fine sous certaines conditions. La quantité d'ajout organique doit être élevée et les pièces fabriquées doivent être de préférence volumineuses. Ces avantages sont surtout dus au fait qu'à pression de mise en forme équivalente à celle d'un pressage uniaxial conventionnel, les comprimés CGV crus (non frittés) sont plus denses que leur homologues conventionnels. Il y a donc moins de porosité à combler, donc les grains grossissent moins. Ce résultat est plus marqué lorsque la poudre a plus d'ajouts organiques; nous pensons que l'échauffement de la poudre, dû aux effets de friction entre les grains au cours de la mise en forme, amoindrit les ajouts organiques ce qui favorise les phénomènes de réarrangements granulaires. D’après You la densification des matériaux est extrêmement importante pour le comportement uploads/Ingenierie_Lourd/ les-ceram-refract.pdf