Les Céramiques

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GENERAL

Les céramiques sont des matériaux très anciens, et si de façon courante, on les associe aux produits de terre cuite connus depuis le néolithique, les "tuiles" de la navette spatiale sont en céramique... C'est dire si ce matériau accompagne l'histoire de l'humanité, d'hier à demain et à l'heure actuelle, son emploi s'avère indispensable dans pratiquement tous les domaines de l'activité humaine. Les céramiques techniques sont présentes dans les secteurs nucléaires, aéronautique et spatial, informatique et électronique, médical par exemple. Bien connues du grand public, les céramiques dites " traditionnelles " sont représentées par exemple, par la porcelaine, la faïence, la poterie, ou encore les tuiles et briques, les carreaux de sols et murs et les céramiques sanitaires, et contribuent au confort de notre vie quotidienne.

Par définition, les céramiques sont des matériaux non métalliques, non organiques, et qui sont obtenus par l'action de fortes températures.

Les progrès extraordinaires de la science des matériaux ont élargi le champ des propriétés potentiellement riches en applications : propriétés électriques, magnétiques, optiques, piézoélectriques, mécaniques, nucléaires…. et la nature des matières premières, des oxydes et des non oxydes (carbures et nitrures), produits de l'industrie chimique.

Si à l'origine, l'argile, silicate d'alumine hydratée (SiO2 ALO3 H2O) constituait la matière première fondamentale pour la fabrication des céramiques décoratives, de carreaux, de sanitaires et de quelques réfractaires, l'emploi de nouvelles matières premières naturelles ou synthétiques de type alumine frittée, silice, composés silico-alumineux ou silico-magnésiens (cordiérite, mullite, stéatite) a favorisé l'essor des céramiques techniques. Les progrès de la chimie ont élargi le choix des atomes. Ces derniers, les alcalino-terreux, le carbone, l'azote ont permis de développer des phases nouvelles : oxynitrure, sialon, carbure…. utilisés dans les céramiques de pointe. La notion de matière première a donc beaucoup évolué. Il s'agit de matériaux ayant subi une préparation extrêmement complexe.

Ces céramiques nouvelles s'appellent diversement céramiques fines ou céramiques techniques. Bien que très différentes des céramiques traditionnelles, il s'agit bien de céramiques, car la matière première est une poudre minérale mise en forme pour produire l'objet, et le traitement thermique est nécessaire pour lui donner les caractéristiques recherchées.

Les céramiques sont des matériaux poly-cristallins, voire polyphasés. La microstructure, tout autant que les propriétés intrinsèques des constituants, conditionnent les propriétés finales du produit. Ainsi la combinaison de grains conducteurs et de joints isolants est essentielle pour plusieurs composants céramiques (en électronique, par exemple).

Le design de microstructures particulières (inclusion de zircone, renforcement par fibre), leur confère une contrainte à la rupture aussi élevée que celle des métaux, tout en gardant une bien meilleure tenue en température.

Plus légers, ce sont des matériaux idéaux pour l'aéronautique et le spatial. Le contrôle de la porosité permet de fabriquer des produits aussi variés que des membranes (environnement, agroalimentaire), des filtres (métallurgie), des substituts à l'os (chirurgie), d'excellents isolants thermiques (réfractaires). Enfin, l'utilisation de poudres nanométriques, de matériaux à gradients de composition ouvre des perspectives très prometteuses.

L'élaboration de ces nouvelles céramiques a nécessité la mise au point de nouveaux procédés, tels que le coulage en bande, le pressage isostatique, le moulage par injection ou par extrusion. L'ajout de liants ou de plastifiants, de produits organiques comme les cires, la cellulose ou les composés acryliques, a permis de retrouver cette plasticité qui facilite beaucoup l'opération de mise en forme.

Les développements actuels visent à abaisser les coûts, à augmenter la productivité, et à limiter la complexité des opérations. De ce point de vue, les techniques de coagulation (sol-gel) fascinent par leur facilité de mise en œuvre. La céramique peut encore être élaborée sous forme de couches minces ou épaisses, avec l'avantage de n'utiliser que de faibles quantités d'une matière première souvent coûteuse. Comme revêtement, elle a une fonction de protection, par exemple contre l'usure, la corrosion et la chaleur. Elle est encore susceptible de s'intégrer avec ses spécificités (capteurs électrochimiques, mémoires ferroélectriques, électrodes transparentes…) dans des systèmes plus complexes, en particulier en électronique et en micromécanique.

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APPLICATIONS

Les céramiques techniques sont utilisées dans tous les grands secteurs de l'activité industrielle

ELECTRONIQUE et ELECTROTECHNIQUE.

Il s'agit de composants passifs avec des fonctionnalités très diverses :

- Matériaux isolants employés soit dans la microélectronique en tant que substrats (circuit hybride couche épaisse ou couche mince), module d'interconnection, boitier…, soit en tant que gaines, bagues, bougies d'allumage….

- Composants discrets miniaturisés tels que les condensateurs multicouches reportés sur les circuits sous forme de chips par des techniques de montage en surface.

- Composants piézoélectriques de type capteurs de pression, actionneurs et générateurs d'ultrasons.

- Capteurs d'humidité, de température (thermistances) et de gaz

- Eléments chauffants

- Céramiques magnétiques employées dans le stockage et la lecture magnétique, les aimants permanents, les transformateurs.

- Résonnateurs diélectriques pour composants hyperfréquences utilisés dans le secteur des télécommunications.

MEDICAL

Le secteur médical utilise les biocéramiques en chirurgie réparatrice et dans le domaine dentaire. Deux générations de céramiques ont été développées. La première, forte de son inertie chimique assurait une innocuité vis-à-vis de l'organisme. Elle a peu à peu évolué pour faire place à des matériaux capables d'interagir positivement avec les tissus environnants : ce sont les céramiques de deuxième génération.

Première génération : les céramiques inertes. Tête de prothèse de hanche, ou cotyle (si la prothèse est totale), réalisé à base d'alumine (Al2O3). Ce matériau est actuellement concurrencé par la zircone (ZrO2) qui présente une tolérance biologique similaire, mais de meilleures propriétés mécaniques. Prothèses dentaires, réalisées à partir de verres de silice (SiO2) et d'alumine, leur inertie chimique et leur esthétique en font des matériaux proches de la dent naturelle.

Deuxième génération : les céramiques capables de réagir positivement avec l'environnement biologique. Des matériaux de revêtement tels que les bioverres, sont utilisés pour leur capacité à développer une interface parfaite avec l'os grâce au phosphore. Le phosphate de calcium appelé hydroxyapatite, est utilisé pour sa composition chimique quasi identique à celle de l'os. La parfaite intégration de ce matériau dans un environnement osseux, justifie son utilisation comme revêtement sur les parties métalliques des prothèses (hanches, genoux). Des matériaux de comblement, qu'ils soient permanents, comme les osselets de l'oreille ou des blocs poreux en hydroxyapatite comme les prothèses oculaires, ou résorbables tels que le phosphate tricalcique (Ca3(PO4)2) et le carbonate de calcium (CaCO3), sous forme de corail naturel, s'utilisent à des fins temporaires, dans l'attente d'une reconstitution osseuse naturelle.

AERONAUTIQUE ET SPATIAL.

Dans ces secteurs, les céramiques sont essentiellement des matériaux à très forte valeur ajoutée, dit thermostructuraux. La plupart de ces céramiques sont renforcées par des fibres de carbure de silicium, ou carbone. Ces composites à matrice céramique ou CMC, sont des matériaux réfractaires non fragiles, qui possèdent alors les propriétés thermiques et la fiabilité mécanique nécessaire pour être opérationnels dans des conditions extrême de température, de résistance à des atmosphères agressives ou de conditions d'érosion par des particules abrasives.

Volets de tuyères

Anneaux accroche flamme

Cône de sortie

Eléments de turbine

Chambre de combustion

Structures spatiales telles que nez, bord d'attaque, bouclier thermique

ENERGIE ET TRANSPORT.

Ces secteurs utilisent les céramiques parce qu'elles apportent des solutions là où les métaux et les polymères se révèlent inopérants. De par leurs bonnes propriétés mécaniques à des températures supérieures à 1200°C et leur résistance élevée à des environnements chimiques agressifs, des matériaux céramiques sont employés pour la génération et la conversion d'énergie.

Dans l'Energie :

Eléments chauffants pour fours à haute température
Echangeurs de chaleur
Eléments de batterie
Piles à combustible et membranes pour séparation de gaz
Combustibles nucléaires

Dans les Transports :

Bougies d'allumage et bougies de préchauffage Diesel
Systèmes de fermeture centralisés
Freins (composites C/C)
Filtres à particules pour moteurs Diesel
Support de catalyseurs
Capteurs de gaz
Sondes à oxygène
Turbines pour véhicules électriques hybrides

ENVIRONNEMENT

La protection de l'environnement est une des préoccupations majeures et un enjeu capital pour les générations actuelles et futures : gaz toxiques produits par l'industrie, gaz d'échappement, pollution des eaux , retraitement des déchets sont autant de problèmes à résoudre. Discrètes, mais bien présentes, les céramiques proposent déjà de véritables solutions.

Capteurs de détection de gaz : de nombreux oxydes, à base de terres rares ou d'éléments de transition, en constituent l'élément sensible. Elaborés sous forme de couches minces, ils peuvent être intégrés dans des circuits hybrides. Ces capteurs chimiques permettent de détecter des gaz polluants tels que NOx, SO2/SO3, CO/CO2.

Catalyseurs : depuis plusieurs années, l'industrie automobile utilise des matériaux céramiques pour la fabrication de pots catalytiques et plus particulièrement la cordiérite pour les supports de catalyseurs.

Filtres céramiques : des techniques particulières de mise en forme des céramiques permettent l'élaboration de matériaux à porosité contrôlée, utilisées pour le dépoussiérage ou comme membranes. Sous l'effet d'un gradient de pression, elles agissent comme de minces barrières sélectives employées aussi bien dans l'agro-alimentaire que pour traiter des effluents ou purifier l'eau.

Filtres à particules pour moteurs Diesel (FAP) : ils éliminent le rejet dans l'atmosphère de suies provenant de la combustion du gas-oil.

Traitement des déchets : les céramiques ou les vitrocéramiques représentent des solutions adéquates pour l'inertage des déchets nucléaires. Les déchets ménagers, après incinération, conduisent à des céramiques appelées " REFIOM ", réutilisables pour produire des carreaux ou tuiles

REVÊTEMENTS CERAMIQUES.

L'augmentation constante des contraintes de service des matériaux utilisés par les industries mécaniques et électroniques, entraîne un développement important des dépôts céramiques. On distingue plusieurs sortes de revêtements céramiques en fonction de leur épaisseur, de leur procédé d'élaboration et du type de matériaux qui en résultent. Le dépôt par voie sèche se décline en trois principales catégories : la projection thermique, le dépôt chimique en phase vapeur et le dépôt physique en phase vapeur. Si de nouveaux procédés se développent (laser, sol-gel, thermolyse d'aérosol), les procédés classiques connaissent un regain d'intérêt (émaillage, vitrification). Quelle que soit leur application dans les secteurs de l'aéronautique, de l'automobile ou de la chimie, les matériaux céramiques les plus déposés sont les borures, les carbures, les nitrures, les carbonitrures, les oxydes et le carbone.

La projection thermique se caractérise globalement par l'utilisation d'une source d'énergie (combustion ou décharge électrique) en vue de fondre ou d'accélérer un matériau fragmenté (avant ou après fusion). L'optimisation du procédé est facilitée par la mise en œuvre d'outils de métrologie ( température, vitesse des jets de plasma et des particules en vol) et de contrôle en ligne (distribution des trajectoires de particules dans les plasmas et flammes, température du substrat et du dépôt pendant le tir). Un large éventail de revêtements protecteurs ou fonctionnels peuvent être déposés sur des substrats très divers, selon différents procédés : projection plasma (barrière thermique, dépôts anti-usure ou anti-frottement, dépôt isolant), arc fil (dépôt anti-corrosion, sous-couche) flamme (alliage auto fusible, polymères), arc transféré (superalliage base Ni, Co) sur substrats minces.

Le procédé CVD classique ou CVD thermique consiste à activer de façon thermique des réactions chimiques. Par décomposition de gaz réactifs, on obtient des revêtements (TiB2, Si3N4) de protection contre l'usure, le frottement, la corrosion et l'oxydation tels que les outils de coupe, les céramiques non oxydes poreuses (Si3N4, SiC) et les composites thermostructuraux (C/SiC, SiC/SiC). Afin de répondre à de nouvelles exigences industrielles (capteurs, prothèses) nécessitant des températures de dépôt plus basses, la diminution d'énergie thermique peut être compensée en ayant recours au vecteur organométallique (OMCVD) ou à une assistance plasma (PECVD) : pour réaliser par exemple des dépôts d'oxydes (SiO2,Al2O3) ou de carbone amorphe hydrogéné (DLC) sur des substrats métalliques.

L'ablation laser est un procédé basé sur l'interaction rayonnement/matière. Il met en jeu un laser pulsé UV à eximètre, qui permet 2 types d'application : dépôt de couches minces de divers matériaux (manganite, oxydes complexes) dont les applications se situent plutôt dans les domaines de l'électronique et de l'optoélectronique, micro usinage ou micro perçage par ablation de matière sans affecter thermiquement le substrat (marquage de moules, verres progressifs, injecteurs).

METALLURGIE ET INDUSTRIES CERAMIQUES.

L'élaboration des métaux et des alliages se fait à des températures élevées, jusqu'à 2000°C pour certains aciers spéciaux. Les matériaux réfractaires utilisés dans le secteur de la métallurgie sont polyphasés et de microstructures complexes. De façon typique, un réfractaire est composé de particules d'oxyde assez grosses et de fines particules de matériaux réfractaires, dont le rôle est d'assurer la liaison inter particules lors du frittage. Une porosité résiduelle finale de 20 à 25% augmente les propriétés isolantes. Présentant une bonne résistance mécanique et chimique à haute température, ils sont utilisés soit sous forme de briques ou pièces diverses, soit sous forme de béton coulé en place. Ils sont employés dans l'équipement des fours et autres installations thermiques. Ces réfractaires ont une durée de vie courte, et la sidérurgie consomme en moyenne 10 kg de réfractaire pour une tonne d'acier produite.

Matériaux de revêtement : haut fourneau, convertisseur, répartiteur, poche de coulée
Réfractaires résistants à la corrosion par les métaux et les sels fondus
Barrière anti corrosion par les gaz et les liquides à haute température
Pièces de forme : les métaux liquides sont vidés dans un récipient qui leur donnera leur forme quasi définitive.
Isolant thermique.
Jonction et soudure verre-métal, verre-céramique, et céramiques-céramique
Outils de coupe
Roulements, pièces d'usure
Frottements secs à toutes températures

DESIGN ET HABITAT.

Ce secteur comprend quatre grandes familles de produits : les produits sanitaires, les carreaux de sol et de mur, la vaisselle, et les matériaux de construction.

Céramique sanitaire : elle se présente comme le matériau de l'hygiène avec une production d'appareils en vitréous ou en grès aussi bien pour la maison que pour les hôpitaux, hôtels, collectivités…

Matériaux de revêtement : outre ses qualités décoratives, le carreau céramique est incombustible, inaltérable, imputrescible et robuste. L'obtention de produits de haute qualité nécessite une recherche qui porte sur les matières premières, les procédés de fabrication très automatisés et la technologie.

Articles domestiques et d'ornementation : les progrès techniques dans ce domaine ont permis aux produits céramiques (vaisselle) de s'adapter aux conditions d'usage actuelles (lave-vaisselle, four à micro-ondes).

Matériaux de construction : tuiles et briques, produits de terre cuite, poreux naturellement colorés, ils sont commercialisés soit bruts, émaillés ou vernissés.

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