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1 Les matériaux céramiques et les verres Verres, céramiques, bétons et pierres.

1 Les matériaux céramiques et les verres Verres, céramiques, bétons et pierres... Les matériaux les plus anciens... Principales céramiques et applications 2 Les verres : Très grosse production (50 millions de tonnes) CA : 50 milliards de $ connu depuis plusieurs milliers d’années… maîtrisé par les Egyptiens et les Phéniciens vers la fin du Ier siècle av JC on invente le soufflage (verre creux) introduit en Gaule au IIème ap JC par les Romains, la technique est oubliée jusqu’au XI siècle… L’industrie du verre renaît en Bohême et à Venise (Murano) où elle devient un monopole durant plusieurs siècles. Le verre reste cher et de qualité médiocre (Cf épaisseur des vitraux et légende du « fluage ») Au XVII siècle, elle est réintroduite en France par Colbert (le secret est volé aux Vénitiens) L’invention de la coulée sur table au XVII siècle permet la réalisation de glaces de grandes dimensions et plus homogènes… Développement au XIX siècle de grandes industries verrières (St Gobain, créée en 1665) En 1964, on invente le « float » (coulage du verre sur bain d’étain) transparent, dur, isolant sonore, thermique et électrique, résistant (corrosion, acide..) imputrescible, ininflammable, non poreux, élastique (si peu épais), résistant en traction et fait appel à de la matière première « nationale » et abondante (le sable) 3 Matière de base : la silice SiO2 Verre sodo-calcique 70 à 73%SiO2 – 8 à 13%CaO 13 à 16%Na2O Vitres, bouteilles etc… élaboration et mise en forme facile (0,2 à 2% Al2O3 – 0,02 à 2,5 Fe2O3 0 à 4% MgO) Verre borosilicaté 80SiO2 -15B2O3 -5Na2O Pyrex, usage alimentaire et chimique bonne résistance à la température faible coefficient de dilatation bonne tenue au choc thermique plus difficile à travailler -Cristal au plomb : 55 à 60% SiO2 10 à 12% Na2O ou K2O 24 à 30% PbO -Verre d’optique : 40 à 70% SiO2 0 à 2% Al2O3 8 à 15% Na2O 3 à 12% CaO 0 à 2% MgO 10 à 70% PbO 5 à 15% B2O3 Découvert au XVII siècle en Angleterre « cristal au plomb » : 24% PbO « cristal supérieur » : 30% PbO l’oxyde de plomb procure limpidité, sonorité, densité et éclat… Baccarat (1764) Cristallerie d’Arques St Louis (1586) 4 Structure des verres Structure de la silice : structure cubique type diamant avec un tétraèdre SiO4 sur chaque site Formation d’un verre : Incorporation d ’agent modificateurs (Na2O) qui brise la continuité du réseau Réseau régulier de silice Structure cristalline Réseau aléatoire de silice Structure amorphe Structure diamant réseau cfc Fd3m motif : 2 atomes (0,0,0) et 1/4,1/4,1/4) vitrification 5 vitrifiant (72% SiO2) fondant (14% Na2CO3-Na2SO4) stabilisant (14% CaCO3, Al2O3, MgO) additifs divers (colorants, décolorants…) déchets de verre (calcin ou groisil)(facilite la fusion) 1500° C : fusion et vitrification maintien à 1500° C pour dégazage refroidissement pour atteindre le degré de viscosité nécessaire recuisson à 500° C pour éliminer les contraintes inte rnes (fragilité) puis soit : - refroidissement lent - trempe (verre très résistant se brisant en petits éclats non coupants : verre de sécurité) fibres de verre obtenues par centrifugation puis étirage par le bas par jets de gaz chauds - fibres textiles - isolation thermique - fibres optiques verre plat - glace : « floatglass » sur bain d’étain (épaisseur 6mm, ajustable) - verre à vitre : étirage d’une feuille de verre (2 à 6 mm) - verre coulé : laminage bâtiment, automobile… à chaud (900° C) dans des moules : on introduit la « p araison » (quantité nécessaire à la bonne viscosité) et on met en forme (poinçon ou soufflage) verre d’emballage, gobeleterie verre creux verre technique (labo, optique, ampoules, TV, quartz..) verre à la main (cristal d’art) 6 France (1998) verres creux 78% fibres 4% verres plats 16% verre technique 2% verre creux 65% verre plat 25% fibre isolation 3% ampoules, tubes.. 5% fibres renfort 2% Europe (1992) Production Utilisation vitres bouteille composites laine de verre verre technique production mondiale de verre (1992) europe 49% USA 39% Japon 12% 23,8 millions T 18,4 millions T 5,5 millions T 5.450 kT 4.275 kT 850 kT 215 kT 110 kT 1er producteur mondial : St Gobain (120.000 personnes, CA 117 milliards de Frs) 7 Les céramiques - les céramiques vitrifiées - les céramiques techniques - les céramiques naturelles B, C, N, O, Si, Al... Constituées d’argiles - l’argile est mélangée à de l’eau pour la rendre plastique (l’eau s’infiltre entre les feuillets d’argile et la rend malléable) - puis séchée pour la rendre plus dure et manipulable - cuisson au four (1000 à 2000°C) : formation d’une phase vitreuse (mullite SiO2+Al2O3) qui lie les grains d’argiles présence de micro fissures : on peut déposer en surface de la poudre de verre que l ’on fond vers 800°C : émaillage Alumino-silicate hydraté (Al2(Si2O5) (OH)4 - les céramiques vitrifiées Poterie, faïence, briques... - vaisselle - sanitaires - tuiles - briques... Silicates enrobées dans une phase vitreuse 8 les céramiques techniques Très fort développement depuis un vingtaine d’années… - liaison covalente très forte - très haute résistance mécanique élastiques (mais faible ténacité et fragiles) - haute résistance à la température - peu chères (sauf haut de gamme) - abondantes... Applications : - matériaux durs (outils de coupe) - bâtiment : sanitaires, carreaux - réfractaires - moteur, turbines - revêtement d’engins spatiaux… - inertie chimique (implants, porcelaine dentaire, alimentaire) - stockage de déchets nucléaires : - Th4(PO4)4P2O7 avec substitution de Th par U et Pu - ZrSiO4, monazite, apatite… très bonne résistance à la lixiviation MPa 500 250 0,1% 2% alongement relatif rupture rupture déformation réversible déformation irréversible métal céramique 9 les différentes céramiques techniques Oxydes réfractaires et abrasifs : Al2O3, ZrO2, MgO céramique pour l’électronique : ferrite (MFe2O4) céramiques pour le nucléaire : UO2, PuO2, ThO2 céramiques pour l’optique : verres non silicatés, LiNbO3, PbZT membranes : zéolithes biocéramiques : Al2O3 Nitures et oxynitrures céramiques réfractaires : N4Si3 et les SIALON Carbures abrasifs : SiC, TiC, B4C Borures réfractaires : TiB2, ZrB2 Composites céramiques : matrice céramique avec fibres ou dispersion de céramiques, métaux ou polymères vitrocéramiques : dévitrification contrôlée de matériaux vitreux (LiO2, SiO2…) 10 Les céramiques thermomécaniques réfractarité élevée (1400° C) faible coefficient de dilatation thermique très forte ténacité application dans les machines thermiques mais : - fragile - faible déformation à rupture - faible résilience Points de fusion : - Al2O3 : 2050° C - ZrO2 : 2700° C - MgO : 2800° C - 80%TaC-20%HfC : 4050° C La navette spatiale est recouverte de 33.000 tuiles de protection en fibre de silice recouverte de borosilicate ou de SiC Les parois métalliques sont à 180° C au lieu de 1200° C fragilité des tuiles en céramique accident de la navette Columbia en 2003 11 Céramiques non-oxydes : SiC et N4Si3 : - bonne tenue à 1400° C - très faible coefficient de dilatation - se frittent mal SIALON (Al2O3- N4Si3) – SIMON (métal) : - température d’utilisation 1200° C - charge à rupture 600MPa - se frittent bien Composite matrice céramique + dispersoïdes ZrO2 (10%) Céramiques oxydes : ZrO2 (zircone) - point de fusion 2680° C - coefficient de dilatation comparable à celui des aciers - faible conductivité thermique mais transformation allotropique tétragonale monoclinique stabilisation par l’ajout d’éléments (Y, Ca, Mg…)(zircone SZ) plus de transformation mais perte de ténacité et faible limite à la rupture… stabilisation partielle (PSZ) excellente ténacité, charge à rupture 2000 MPa (mais T<1100° C) mullite (3Al2O3-2SiO2) renforcée par des inclusions de zircone 12 ZrC Re SiO2 Fe2O3 Cr2O3 TaC NbC W TiC ThO2 Ta WC MgO ZrO2 MoC Mo CaO BeO Al2O3 1500 2000 2500 3000 3500 4000 température de fusion (° C) Température de fusion de quelques céramiques (oxydes et carbures) comparaison avec celles de quelques métaux réfractaires 13 Les céramiques pour l’électronique Composants passifs -Thermistances CTN (coefficient de température négatif) -la résistance électrique décroît avec la température oxydes de métaux de transition (Mn, Co, Ni, Cu, Fe…) - mesure et régulation de température - compensation de dérives en température - protection contre les surtensions… applications : -Thermistances CTP (coefficient de température positif) -la résistance électrique croît avec la température BaTiO3 dopé au Nb mêmes applications mais dans des zones de températures plus réduites -Varistances - la résistance électrique décroît avec la tension ZrO (Würtzite) dopé par Co, Mn, Bi, Sb, Ti, Cr, Ni… (<1%) protection contre les surtensions - Condensateurs céramiques ferroélectrique BaTiO3 14 les céramiques naturelles Roches, minéraux... - calcaire (CaCO3) - grès (à base de SiO2) - granite (silicate d ’alumine) Le plus ancien et le plus durable des matériaux de construction (pyramides, Parthénon…) La glace ? Peut être considérée comme une céramique naturelle… (brise-glace, igloo…) 15 Structure des céramiques - Structure électronique : structure de bande d’isolants - Structure cristallographique : - structures ioniques : NaCl MgO Zircone ZrO2 Al2O3 Empilements denses (HC ou CFC) d ’oxygène avec les ions métalliques dans les sites interstitiels (octa ou tétraédriques) 16 - structures covalentes : diamant SiC SiO2 Structure extrêmement dure structure uploads/Ingenierie_Lourd/ materiaux-ii.pdf