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Des MatériauxSection 8.6
chapitre 13 sauf 13.1.2Sauf 13.5.3 et 13.6
Partie 5Les différentstypes dematériaux
Plan5.3 Les céramiques
(Rappels)5.3.1 Généralités5.3.2 Types de céramiques
A - TraditionnellesB - TechniquesC - RéfractairesD - VerresE - Ciments et bétons
5.3.3 Dégradation des céramiques
cÉr
amiques
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5.3 Les céramiques
* Liaisons- ioniques et covalentes
* Architecture atomique- matériaux amorphes ou cristallisés
Rappels
Tétraèdre de silice
Silice amorphe (ex.: verre)
Silice cristallisée (ex.: quartz)
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* Propriétés- mécaniques
Rappels
concentration de contrainte(répartition des contraintes locales)
courbe de traction
comportement généralement fragilerigidité élevée
dans le cas des matériaux cristallins,les dislocations sont immobiles
zones critiques où il peuty avoir concentration de contrainte
5.3 Les céramiques
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* Propriétés (suite)- mécaniques
Rappels
5.3 Les céramiques
Amélioration de la ténacité
conductibilité thermique
- physiques
isolant
bandeinterdite{
Énergie d’unélectron
bande de conduction(vide)
bande de valence(remplie)
Es = plusieurs eV
ISOLANT
Énergie d’unélectron
bande de conduction
bande de valence
Es ~ 1 eV
SEMI-CONDUCTEUR
semi-conducteur
conductivité électrique
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5.3.1 Généralités
* Fabrication- ex.: le frittage
* obtention de produits solides à partir d’une poudre, sans qu’il y ait fusion
* étapes de fabrication- mise en forme de la pièce
par compaction de poudre- cuisson à haute
température, à l’état solide
soudage des grains par diffusion à l’état solide
5.3 Les céramiques
* Microstructure- obtention d’une structure plus ou moins
poreuse
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5.3.2 Types de céramiques
* Utilisation
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5.3.2 Types de céramiques
* Fabrication- matière abondante et bon marché
* argile* sable cuisson entre
850 et 1200°C * feldspaths
- composition : silicates et
silico-aluminates - structure : en partie
cristalline, en partie vitreuse structure poreuse
* Utilisation et caractéristiques- tableau 13.1
* Exemple- briques de bâtiments
* argile + sable* résistance : 10 à 20 kPa
* porosité : environ 25%
A - Céramiques traditionnelles
5.3 Les céramiques
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5.3.2 Types de céramiques
* Fabrication- matériaux plus technologiques que les
céramiques traditionnelles contrôle des matières
premières, de la composition, de la microstructure
* Applications- abrasifs et outils de coupe
* dureté, rigidité, etc.* ex.: les carbures (tableau 13.2)
- électronique * ex.: isolants, semi-
conducteurs - constructions mécaniques * ex.: fibres pour les matériaux compositesmoteur céramique
B - Céramiques techniques
5.3 Les céramiques
- meilleur rendement énergétique(combustion à des températures plus élevées)
- élimination des circuits de refroidissement- légèreté (- 30% p/r à un moteur classique)- efficacité thermique de l’ordre de 50%
(contre 30% pour les moteurs conventionnels)- réduction de 40% de la consommation
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5.3.2 Types de céramiques
* Composition- éviter les impuretés
la présence d’impuretés favorise l’apparition de phases à bas
point de fusion
* Propriétés recherchées- pour les applications à haute
température * Température de fusion élevée* Propriétés mécaniques
acceptables à haute température* Conductibilité
thermique faible * Inertie chimique importante
* Utilisations- dans l’industrie métallurgique * fours d’élaboration
* poches de coulée* fours de traitements
thermiques
C - Céramiques réfractaires
5.3 Les céramiques
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5.3.2 Types de céramiques
* Particularité- les verres sont des solides amorphes
* la cristallisation n’a pas le temps de se produire
* augmentation de la viscosité du liquidejusqu’à sa solidification
D - Les verres
5.3 Les céramiques
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5.3.2 Types de céramiques
* Composition- formateurs de réseau
* molécules formant la structure de base du matériau
* ex.: la silice SiO2 (tétraèdre
de silice) l’anhydride borique B2O3
(pyrex) l’anhydride phosphatique
P2O3 - modificateurs de réseau
* oxydes métalliques qui modifient la structure des verres et leurs propriétés, en s’insérant dans le réseau vitreux * ex.: Na2O, K2O,
CaO, MgO, BaO
D - Les verres
5.3 Les céramiques
structure du verre
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5.3.2 Types de céramiques
* Propriétés- optiques
* transparence - pas de diffusion (structure
amorphe) - absence de porosité - indice de réfraction constant
* coloration (ajout d’oxydes métalliques) ex.:TiO2 (blanc), Fe2O3
(rouge) Aluminate de cobalt (bleu-vert) * exemple : fibre optique
réflexion continuelle du faisceau lumineux entre le cœur de la fibre et sa gaine
D - Les verres
5.3 Les céramiques
coupe A-A
r a yo n in c iden t
IR1
IR2
r a yo n r éfl éc hi
A
A
Ver r e 1
Ver r e 2
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5.3.2 Types de céramiques
* Qu’est-ce qu’un béton ?- mélange de différents constituants
* ciment* granulats (gravier et sable)
* eau* additions et adjuvants
- obtention d’un matériau qu’on peut d’abord mettre en place et qui durcit ensuite dans le temps
- propriétés intéressantes * matériau résistant
et bon marché * possibilité de mise en forme
* Quelques chiffres- production
* béton : près de15 milliards de tonnes par année, soit environ 2,5 tonnes (1m3) par être humain
* ciment : 1,5 milliard de tonnes
E - Ciments et bétons
5.3 Les céramiques
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5.3.2 Types de céramiques
* Quelques chiffres (suite)- applications (bétons courants)
* bétons de solage : 20 MPa* bétons de bâtiments : 25 à 35
MPa - applications (bétons à hautes performances) * bétons de constructions : 40 à
100 MPa - applications (béton à très hautes performances) * bétons de poudres réactives : 200 MPa et +
E - Ciments et bétons
5.3 Les céramiques
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5.3.2 Types de céramiques
* Le ciment- fabrication
* à partir de calcaire et d’argile, on obtient, après cuisson, le clinker* le ciment est obtenu par broyage
du clinker (après ajout de sulfates de calcium)
E - Ciments et bétons
5.3 Les céramiques
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5.3.2 Types de céramiques
* Le ciment- constituants
E - Ciments et bétons
5.3 Les céramiques
Silicates de calcium constituants principauxAluminates de calciumSulfates de calcium (gypse)
réaction
- prise du ciment* les constituants du ciment réagissent avec
l’eau pour fair prise
hydratation du ciment
Silicates de calcium + eau Ca(OH)2 + C-S-H
chaux éteinteC : CaOS : SiO2
H : H2Osilicates de calcium hydratésc’est la colle du ciment
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Aluminates de calcium + gypse + eau ettringite2
clin
ker
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5.3.2 Types de céramiques
* Le ciment- réaction d’hydratation
* présence d’eau indispensable au
durcissement * réaction très exothermique
- microstructure des produits d’hydratation
E - Ciments et bétons
5.3 Les céramiques
chaux éteinte Ca(OH)2
(Portlandite)- maintient le pH élevé- faiblesse du ciment hydraté- très soluble- réagit avec les additions
C-S-H- «colle» du ciment hydraté- structure très fine et
mal cristallisée
aiguilles : ettringite
le reste : C-S-H
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5.3.2 Types de céramiques
* Le béton- propriétés mécaniques
* le béton peut être utilisé pour sa masse (barrages) * ou pour des applications structurales
E - Ciments et bétons
5.3 Les céramiques
faiblesse du bétonen traction
(<10% p/r à Rc)
traction
compression
propriétés mécaniquesd’un béton normal
Note : plus le rapport pondéral eau/liant sera faible, plus la résistance du béton sera élevée.
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* Le béton armé- utilisation de barres d’acier noyées dans
le béton frais* principalement dans les zones de
tension (barres) et de fort cisaillement (arceaux)* pour compenser la faiblesse du
béton en traction et limiter la fissuration
5.3.2 Types de céramiquesE - Ciments et bétons
5.3 Les céramiques
poutre de béton armé
armature longitudinale(flexion)
armature transversale(cisaillement)
+ assurer une certaine ductilité
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* Généralités- la dégradation des céramiques est
généralement très lente (fortes liaisons : matériaux stables) - types de dégradation
* mécanique : usure* chimique : dissolution par
attaque à l’acide; béton
* Exemple : la dégradation du béton- les différentes formes de la dégradation du
béton * attaque chimique (dissolution)* gel-dégel
* action des sulfates* réaction alcali-granulats
* corrosion des armatures
5.3.3 Dégradation des céramiquesGénéralités et exemple
5.3 Les céramiques
ces formes de dégradation s’effectuent d’une façon semblable- pénétration d’un agent agressif- processus de réaction (chimique ou électrochimique)- formation d’un produit d’un volume supérieur à celui
de ses constituants de base- éclatement du béton
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5.3.3 Dégradation des céramiquesGénéralités et exemple
* Exemple : la dégradation du béton (suite)- la réaction alcalis-granulats
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* Exemple : la dégradation du béton (suite)- la corrosion des armatures
5.3.3 Dégradation des céramiquesExemple
5.3 Les céramiques
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