Chapitre 2 - Céramiques [Mode de compatibilité]

8/6/2019 Chapitre 2 - Cramiques [Mode de compatibilit]

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CONTENU DU CHAPITRECONTENU DU CHAPITRE

1. Introduction2. Structure des cramiques3. Proprits mcaniques des cramiques4. Divers exemples

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11.. INTRODUCTIONINTRODUCTION

Il ny a jamais eu dge de la cramique durant lhistoire delhumanit. Cest pourtant une mthode de fabrication qui a desmillnaires dance ( 5000 ans) et qui ne sest jamais

dmode.

Actuellement, la cramique connat un renouveau spectaculaire

3

.

Les 1res fabrications cramiques remontent de la fin de lpoquenolithique (urnes, vases, jarres et coupes).

Jusquau milieu du 20me sicle , les ppaux matriaux de cettecatgorie, dont la matire 1re est largile, taient connus sous lenom de cramiques traditionnelles et regroupaient la

faence, la porcelaine, les briques, les tuiles, les verres et lescramiques haute tpr.


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Dimportants progrs ont rcemment t accomplis dans lacomprhension des caractristiques fondamentales descramiques ainsi que des phnomnes qui sy produisent et qui

sont lorigine de leurs ppts particulires.

Ainsi, une nouvelle gnration de ces matriaux est apparue

4

.

Ces nouveaux matriaux sont, des divers, trs prsents dansnotre vie depuis que leur utilisation sest gnralises dans bcp

de domaines tels que l-ique, linformatique, lescommunications, larospatiale, le biomdical et dans plrs autressecteurs industriels.


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Quelques applications dans diffrents secteurs :

Traditionnel: vaisselle, sanitaire, tuiles, briques, carrelage, ;Rfractaire : isolation thermique, rsistance la corrosion,rsistance au choc thermique, ;Electronique : condensateurs multicouches, varistors, ;

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,supraconducteurs, transformateurs, clairage, composs pourmicro-ondes, tlviseurs, Mcanique : pices dusure, pompes dans le domaine

alimentaire et cosmtique, ;Nuclaire : plaques en nitrure de bore pour labsorption deneutrons dans un racteur nuclaire,


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Les matriaux cramiques prsentent un caractre inorganiqueet non mtallique.

La plupart des cramiques sont ainsi des composs formsdlments mtalliques et non mtalliques, dans lesquels lesliaisons interatomiques sont soit totalement ioniques, soit

6

.

cramique vient du mot grec keramikos (substance brle)rvlant que les caractristiques recherches pour ces

matriaux sont habituellement obtenues au moyen duntraitement thermique tpr leve portant le nom de cuisson .

Du point de vue ppts, les cramiques sont connus pour tre

fragiles (se cassant facilement sous une sollicitation de typechoc) ; mais, elles supportent TB des charges/tpr trs leves.


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Selon le type de cramique (traditionnel, structural, -ique,rfractaire, ), certaines valeurs peuvent varier de plrs ordresde grandeur ; en outre, selon que la cramique se prsente

sous forme massive ou sous forme de fibres, ces valeurspeuvent galement varier de manire significative :

7

,15 kg/cm3 ;La rsistance mcanique la flexion des cramiques peutatteindre des valeurs de 1000 Mpa lambiante (diamant naturel

: 1050 Mpa ; SiC : 930 820 Mpa pour une tpr de 1000 C) ;Les cramiques supportent bcp mieux les efforts decompression que de traction (les valeurs de rsistance lacompression peuvent tre 10 x suprieures celles de traction) ;


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La tnacit (KIC) est une grdeur qui permet de quantifier lafragilit des matriaux cramiques (elle permet dexprimer larsistance la fragilisation d1 matriau) ; elle est galement

laptitude du matriau rsister la microfissuration (elle peutvarier de 1,5 pour les cramiques les plus fragiles (porcelaines,grs, ) 9 Mpa.m1/2 pour les cramiques les plus tenaces

8

3 4

, , ICle verre et KIC de lordre de 100 pour les mtaux ;

Le modul dlasticit (module de Young E) est une grandeurimportante : Plus E est grande, plus il est difficile de dformer le

matriau ; elle varie de 65 Gpa pour le verre et 1000 Gpa pourle diamant via 390 Gpa pour lalumine ;La duret est 1 gdeur qui permet de quantifier le qua 1matriau rsister labrasion, la pntration, la dformation ; 1

matriau dur est difficile griffer mais il peut griffer ouendommager 1 matriau dur que lui.


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Bien que lunit de la duret dans le S.I. est le Pa, celle qui estplus utilise est le kg/mm2 ; on utilise les durets Vickers (HV),Rockell (HR) ou Brinell (HB) selon la mthode de mesure ; en

HV, lAu a une valeur de 35, un acier doux 140, un acier dur 900, le verre 550, Al2O3 2000, WC (gnralement utilis c outilde coupe sur un tour) 2500, SiC 3000.

9

,isolants lectriques (e.g. : (Al2O3) >= 1015 cm lambiante) ;elles rsistent, de mme, loxydation, aux attaques acides oubasiques et ne sont donc pas solubles dans leau ;

Des cramiques en -ique, on parle souvent de cramiquesde type BaTiO3 qui sont utilises dans la fabrication descondensateurs, PZT (Zircone stabilise lYttrium) est utilisedans des applications faisant intervenir la pizolectricit (cd

transformation dnergie mcanique en nergie lectrique etvice-versa) ;


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Les cramiques sont qualifies de rfractaires (cd quellesrsistent bien la chaleur) : la plupart dentre-elles peuvent treutilises des tpr > 1000 C, tpr laquelle la plupart des

mtaux sont fondus ;Les cramiques ont un coefficient de conductibilit thermiquefaible trs variable dune cramique une autre ; certaines sont

10

.

La plupart des matriaux cramiques peuvent tre repartis, surbase de leur utilisation, dans les groupes suivants : les verres,

les produits cramiques de construction, les porcelainesblanches, les matires rfractaires, les abrasifs, les ciments etles cramiques de pointe.


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22.. STRUCTURESTRUCTURE DESDES CERAMIQUESCERAMIQUES

La structure cristalline des cramiques est gnralement pluscomplexe que celle des mtaux.

Les liaisons atomiques de ces matriaux varient bcp : certainessont strictement ioniques tandis que dautres sont totalementcovalentes.

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Ces 2 types de liaison se retrouvent ds nbre de cramiques olimportance du caractre ionique dpend de llectrongativitdes atomes qui les composent :

Matriau Caractre ionique[%]

Matriau Caractre ionique[%]

CaF2 89 SiO2 51

MgO 73 Si3N4 30

NaCl 67 ZnS 18Al2O3 63 SiC 12


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La structure cristalline des cramiques dont les liaisonsatomiques sont surtout ioniques, est forme, non pas datomesneutres, mais dions, porteurs d1 charge lectrique ; les ions

mtalliques (cations) portent 1 charge +ve aprs avoir cdleurs lectrons de valence aux ions non mtalliques (anions),qui portent une charge ve.

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2 caractristiques des ions prsents dans 1 matriau cristallinont 1 incidence sur sa structure : la qtt de charge associe chaque ion formant le compos et la taille des ions (+fs et fs).

Qtt : Le cristal doit lectriquement neutre ; la formule chimiqued1 compos indique le rapport quantitatif entre ions et cations ou lacomposition qui assure lquilibre de charges (e.g. : le fluorure decalcium comporte des ions calcium dont chacun a 1 charge +2 (Ca+2)

et des ions fluor dont chacun a 1 charge -1 (F-

) ; le compos a ainsi 2ions F- pour chaque ion Ca+2 c lindique sa formule chimique CaF2) ;


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Taille ou rayon ionique des cations (rc) et des ions (ra) :comme les lts mtalliques cdent des lors de lionisation, lescations sont habituellement plus petits que les anions et le %

rc/ra est < 1. Chaque cation tend avoir le + gd nbre possibledanions 1ers voisions, tout c chaque anion tend sentourer du+ gd nbre possible de cations 1ers voisins.

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La structure cristalline dune cramique stable se forme lorsqueles anions entourant un cation sont tous en contact direct aveccelui-ci ;

Stable Stable Instable


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Le nbre de coordination (Z) (qui est le nbre danions 1ers voisinsd1 cation) est li au rapport entre le rayon cationique et celuianionique. Il existe, pour 1 nbre de coordination donn, 1 rapport

rc/ra critique ou minimal qui correspond ltablisset du contactentre anions et cations et qui peut tre calcul partir desdonnes strictement gomtriques.

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Le tableau ci-aprs indique le nbre de coordination (Z) et la formegomtrique des 1ers voisins pour divers rapports rc/ra :


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2.1. Diffrents types de structures :a. Structure cristallines de types AX :

Certains matriaux cramiques courants comportent 1 nbre galde cations et danions ; ils prennent alors le nom de composs AX , o A reprsente le cation et X lanion.

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Les composs AX prsentent des structures cristallines variesdont chacune est connue sous le nom d1 matriau usuel quipossde une telle structure.

La 1re structure cristalline AX la plus rpandue est probablet

celle quadopte le chlorure de sodium (NaCl) ou sel gemme.Le nbre de coordination des cations et anions est 6, donc, le rc/ra

= 97/181 = 0,53591 est, donc, compris entre 0,414-0,732.


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Ds la maille ltaire de cette structure cristalline, les anions ont 1disposition CFC o se trouve 1 cation au centre du cube et 1autre au centre de chacune de ses 12 arrtes.

1 structure cristalline similaire est engendre lorsque les cationsadoptent galement 1 disposition CFC. La structure cristalline

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chevauchant dont l1 comprend les cations et lautres les anions.

Les NaCl, MgO, MnS, LiF et FeO sont les matriaux cramiquescourants possdant cette structure cristalline.


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La 2me structure cristalline AX est celle de type chlorure decsium o les 2 types dions prsentent 1 nbre de coordination de8 : les anions occupent, chacun, des coins d1 cube au centre

duquel se trouve 1 cation ; la permutation des anions et descations ne modifient aucunement cette structure cristalline.Donc, le rseau est du type CC.

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Le rc/ra = 167/181 = 0,92265 est, donc, compris entre 0,732-1,0.


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La 3me structure cristalline AX est celle des ions dont le nbre decoordination est 4 et qui se regroupent en ttradres. Elle portele nom de structure de type blende ou sphalrite daprs le

terme utilis en minralogie pour dsigner le sulfure de zinc(ZnS). Le rseau est du type Wurtzite.

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c a = = , , , , - , .


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b. Structures cristallines de types AmXp :

Lorsque les charges du cation et de lanion ne sont pas

identiques, 1 compos peut prsenter la formule chimique AmXp o m ou p (ou les 2) sont diffrents de 1.e.g. : La formule AX2 se retrouve ds la fluorine (CaF2) qui

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ioniques (rc/ra) 0,8 ; cela correspond 1 nbre de coordinationde 8 ; les cations (Ca+2) prennent la place au centre des cubesalors que les anions (F-) occupent les coins ; la formule

chimique indique que ce compos 2x moins de Ca+2

que de F-

et que sa structure cristalline est semblable celle de CsCl lace que seule la des positions au centre du cube sontoccupes par les Ca+2. Une maille ltaire comprend 8 cubes.

Cette structure cristalline se retrouve ds des composs tels que :UO2, PuO2 et ThO2, VO2, TiO2 et SrF2.


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c. Structures cristallines de types AmBnXp :Certains composs cramiques 2 types de cations et leurformule chimique scrit c AmBnXp avec A et B les 2 cations.

La structure de type spinelle qui se retrouve ds laluminate demagnsium (MgAl2O4) relve de cette formule o les O-2 forment

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ttradriques et que les Al+3 logent ds les sites octadriques.


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La structure cristalline de type provskite qui se retrouve ds letitanate de baryum (BaTiO3) est cubique aux tpr > 120 C etrelve aussi de cette formule o une maille ltaire 1 Ba2+

chacun des 8 coins du cube, 1 Ti4+ au centre du cube et 1 O-2 aucentre de chacune de ses 6 faces.

24

.

danions :

Ds les mtaux, lempilet compact de plans datomes produit 1

structure HC ou CFC. De faon analogue, bon nbre

de structurescristalines cramiques peuvent tre envisages s/f dempilet

compacts de plans dions, ainsi que des mailles ltaires.Dhabitude, ce sont les anions de gde taille qui forment les plans

compacts. De petits interstices apparaissent entre les plans parsuite de leur empilet o peuvent ainsi se loger les cations.


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2 types de sites interstitiels. Ds 1 de ces types, 4 atomes (3sur le m plan et lautre sur 1 plan adjacent) entourent le cation.Cela correspond au site ttradrique (T) en raison de la forme

ttradrique produite par les lignes reliant les centres dessphres adjacentes. Lautre site (O) associe 6 ions sphriquesrpartis en nbre gal sur 2 plans adjacents. Il porte le nom de site

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centres des 6 sphres. Le nbre de coordination des cations quioccupent 1 site ttradriqe ou octadrique est donc respectivet

de 4 et 6. En +, un site octadrique et 2 sites ttradriques

pour chacune des sphres danion.


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2 facteurs dterminent les structures cristallines cramiques dece type : lempilet compact des anions (disposition HC ou CFC)et la faon dont les cations occupent les sites interstitiels.

La structure cristalline de NaCl prsente 1 maille ltaire desymtrie cubique et chq Na+ est entour de 6 Cl- 1ers voisins. Lastructure cristalline peut tre envisage c 1 disposition CFC.

-

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constituent leurs 1ers voisins. Aussi, tous les sites octadriquessont occups tant donn qu1 seul site octadrique estdisponible pour chq anion et que le % cation anion est de 1.


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Ds la structure de type spinelle (aluminate de magnsium(MgAl2O3)), les O2- forment 1 rseau CFC, les Mg2+ occupent lessites ttradriques et les Al3+ logent dans les sites octadriques.

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Les proprits magntiques de certaines cramiques peuventprovenir, entre autres, de la rpartition des ions entre les sites

octadriques et les sites ttradriques.


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e. Calcul de la masse volumique des cramiques :

On peut dterminer la masse volumique thorique d1 matriau

cramique cristallin partir des donnes relatives la mailleltaire. Le calcul de la masse volumique des cramiquesseffectue laide de lquation suivante : ( )

acMMn +

=

'

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n est le nbre dunits de formule (ensemble dions de laformule chimique) au sein d1 maille ltaire ; est la somme des masses molaires de tous les cations ds

1 unit formule ; est la somme des masses molaires de tous les anions ds1 unit formule ;Vm est le volume de la maille ltaire ;

NA est le nbre dAvogadro (6,023.1023 units de formule/mole)

Am

cM

aM


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e.g. : NaCl. Quelle est sa masse volumique ?

Le nbre dunits de NaCl par maille ltaire est de 4, cd n = 4

car les Na+ et les Cl- forment des rseaux CFC ; = MNa = 22,9 g/mole et = MCl = 35,45 g/mole ;Comme la maille ltaire est cubique, le volume d1 maille est V

cM aM

29

= . o et renvoient aux rayons ioniques dusodium et du chlore qui valent respectivet 102 et 181 pm ;

+ += ClNa rra 2 +Nar

Clr


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2.2. Les solides non cristallins :

Les solides non cristallins se caractrisent par labsence d1

arranget

systmatique et rgulier de leurs atomes sur desdistances atomiques relativet longues. De tels matriaux sontparfois dits amorphes ou encore qualifis de liquide en surfusion

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liquide. La fig. ci-aprs montre la structure cristalline ordonnede du dioxyde de silicium (a) et la structure amorphe (b). Ilapparat que, bien que les liaisons restent les mme, la structure

est te et prsente moins dordre ds le 2nd

cas.


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1 solide adoptera 1 structure cristalline ou amorphe selon le defacilit avec lequel 1 structure atomique qlcq du liquide initialpeut sordonner au cours de la solidification. Les matriaux

amorphes se distingues donc par 1 structure atomique oumolculaire relativet complexe qui sordonnent assez difficilet. 1refroidisset rapide sous le pt de conglation favorise la formation

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structure dure gnralet longtps.

Seuls certains matriaux cramiques sont cristallins alors que

dautres, tel le verre inorganique sous toutes ses formes, sontamorphes.


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2.3. Les imperfections dans les cramiques :a. Dfauts ponctuels :

Il arrive que les atomes htes des composs cramiquescomportent des dfauts. C ds les mtaux, des lacunes et desinterstices peuvent se former au sein de ces composs. C les

32

,

sen suit que chacun deux peut prsenter des dfauts.e.g. : Le NaCl peut comporter des lacunes et des interstices deNa et de Cl. Il est toutefois assez improbable dy trouver de

fortes concentrations dinterstices anioniques. Lanion tant detaille relativet gde, il ne pourrait se loger ds 1 petit interstice qula suite de dformations importantes imposes aux ionsenvironnants. La fig. suivante donne une illustration de lacunes

anionique et cationique et d1 interstice cationique.


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Lexpression structure des dfauts sert dsigner les types etles concentrations de dfauts atomiques ds les cramiques.Lexamen de la structure des dfauts exige le maintien de

llectroneutralit en raison de la charge que porte les ions.Llectroneutralit renvoie ltat d1 compos possdant lemme nbre de charges +ves et de charges ves. Ainsi, les

33

.

1 de ces dfauts se caractrise par la prsence d1 lacunecationique et d1 paire dinterstices cationiques : cest le dfaut

de Frenkel qui se produit lorsqu1 cation quitte sa positionnormale et sinsre ds 1 site interstitiel. La charge totale ducristal demeure la mme car le cation conserve sa charge +veen position interstitielle.


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Le dfaut de Schottky se produit aussi ds les matriaux detype AX et consiste en 1 paire forme d1 lacune cationique etd1 lacune anionique. Il rsulte du dplacet vers la surface

extrieure d1 anion et d1 cation situs lintrieur de lastructure cristalline. C la charge du cation et celle de lanionsont identiques et qu chq lacune anionique correspond 1

34

,

prserve.

Dfaut de Frenkel Dfaut de Schottky

La proportion respective des cations et des anions demeure lamme aprs formation d1 dfaut de Frenkel ou d1 dfaut de

Schottky. Si le matriau ne comporte aucun dfaut, il est dit stoechiomtrique .


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La stchiomtrie renvoie ltat d1 compos ionique lorsque laproportion respective des anions et des cations qui y sontprsents est exactet celle quindique la formule chimique.

e.g. : Le NaCl est stchiomtrique si le % entre Na+

et Cl-

estprcist de 1 1.1 compos cramique est non stchiomtrique ds que ce

35

.

Certains composs cramiques sont non stchiomtriqueslorsque des ions d1 mme type prsentent plus d1 tat devalence (ou tat ionique).

e.g. : le FeO (Wustite) peut comporter tant dions Fe2+ que dionsFe3+.

Le nbre dions de chq type est fct de la tpr et de la pression dO2ambiante.


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La formation d1 ion Fe3+ altre llectroneutralit du cristal en yintroduisant 1 charge excdentaire de +1 qui doit trecompense par 1 dfaut qlcq, telle lapparition d1 lacune Fe2+

(cd llimination de 2 charges +ves) pour chq paire dions Fe3+

forme. Le cristal perd alors sa stchiomtrie car il possdeainsi 1 ion excdentaire dO2 par rapport au nbre dions de fer,

36

.

assez couramment ds le cas de loxyde de fer et cest pourquoi ilest souvent identifi au moyen de la formule chimique Fe1-xO(o x reprsente 1 fraction variable et nettet < 1), qui indiqueun tat de non stchiomtrie rsultant d1 dficience en fer.


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b. Impurets dans les cramiques :

Les atomes dimpuret sont susceptibles de former des

solutions solides ds les matriaux cramiques tout c ds lesmtaux. des solutions solides et de substitution etdinsertion (le rayon ionique de limpuret doit tre relativet

37

.

substitution, c il y a des anions et des cations, limpuret prendla place de lion hte auquel elle sapparente le + en termeslectriques : si limpuret forme habituellet 1 cation ds 1matriau cramique, elle se substituera fort probablet 1 cationhte. Ds le NaCl, e.g., les impurets Ca2+ et O2- prendraientpresque la place des ions Na+ et Cl- respectivet.

S CS C SS C Q SC Q S


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Toute solubilit solide apprciable dimpurets de substitutionexige que leur charge et leur taille soient presque identiques celles d1 des ions htes.

Lorsqu1 impuret ionique porte 1 charge te de celle de lionhte auquel elle se substitue, le cristal doit compenser cette ce

38

.

1 telle compensation peut prendre la forme des dfautsrticulaires, cd de lacunes ou dinterstices des 2 types dions.



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1. Introduction2. Structure des cramiques3. Proprits mcaniques des cramiques

4. Divers exemples

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33 PROPRIETESPROPRIETES MECANIQUESMECANIQUES DESDES CERAMIQUESCERAMIQUES


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33.. PROPRIETESPROPRIETES MECANIQUESMECANIQUES DESDES CERAMIQUESCERAMIQUES

3.1. Rupture fragile des cramiques :

A la tpr ambiante, les cramiques cristallines se rompent

presque tjrs sans dformation plastique pralable lorsquon leurapplique 1 charge de traction.

40

fissures ds la section transversale d1 matriau, selon 1 directionperpendiculaire la charge applique. La croissance desfissures ds les cramiques cristallines seffectue gnralet depart en part (croissance transgranulaire) et le long de certainsplans cristallographiques (ou plans de clivage) densitatomique leve.



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Les valeurs mesures de rsistance la rupture descramiques sont sensiblet < aux valeurs thoriques calcules partir des forces de liaisons interatomiques. 1 tel cart peut

sexpliquer par lomniprsence de trs petits dfauts dans 1cramique, lesquels dfauts jouent alors le rle damorces derupture, cd qui constituent des pts damplificatde la contrain te

41

.

Les amorces de rupture voques peuvent prendre la forme demicrofissures intrieures ou surfaciques, de pores internes etdextrmits de grains quil est presquimpossible de contenir oudliminer. Ainsi, mme lhumidit et des agents contaminants dslatmosphre peuvent engendrer, la surface d1 fibre de verrercemment produite, des fissures en altrant la rsistance. 1 [ ]

de contraintes lextrmit d1 dfaut peut galet donner lieu 1propagatde la fissure jusqu ce que survienne la rupture.



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Le facteur critique dintensit de contrainte en dformatplan e,KIC, est dfini selon lexpression : o :Y : 1 fct ou 1 paramtre sans dimension variant selon la

gomtrie de lprouvette et de la fissure ; : la contrainte applique ;a : la longueur d1 fissure de surface ou la de longueur d1

aYKIC

=

42

.

Il est noter que KIC des cramiques est < celles des mtauxet ne dpasse gnralet pas 10 Mpa.m1/2.

La taille et le volume de lprouvette influent aussi sur larsistance la rupture : + la taille de lprouvette est gde, + laprsence d1 dfaut est probable et + la rsistance la rupture

est faible.



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En revanche, la prsence de dfauts nentrane aucuneamplificatdes contraintes de compression. Cest pourquoi lescramiques fragiles sont qlq 10x + rsistantes 1 compression

qu 1 traction et sont donc habituellet

employes lors delapplicatde charges de compression.

43

,

notamment s/f d1 trempe, la surface d1 cramique fragile enaccentue considrablet la rsistance la rupture.

3.2. Comportement contrainte dformationa. Rsistance en flexion

Le comportement contrainte dformat des cramiques

fragiles ne peut habituellet

pas tre tabli laide des essais detraction classiques, et ce, pour 3 raisons, savoir :



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33.. PROPRIETESPROPRIETES MECANIQUESMECANIQUES DESDES CERAMIQUESCERAMIQUESIl est difficile de prparer et de mettre lessai desprouvettes ayant la gomtrie requise ;Il est difficile de saisir des prouvettes d1 matriau fragilesans les rompre ;

Les matriaux cramiques se rompent aprs 1 dformatdeseulet qlq 0,1% si bien les prouvettes doivent tre parfaitet

places pour que soit vite toute contrainte de flexion, tjrs

44

.

Pour ce faire, on recourt gnralet 1 essai de flexiontransversale lors duquel 1 tige section transversalerectangulaire ou circulaire subit 1 flexion de rupture aprs avoirt soumise 1 charget en 3 ou 4 pts. Au pt de charget, la partie> d1 prouvette est expose 1 compression alors que lapartie < subit 1 traction. La contrainte est calcule partir delpaisseur de lprouvette, du moment de flexion et du moment

dinertie de la section transversale ds le cas de sectionstransversales rectangulaires et circulaires.



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La contrainte de tension max se situe la surface < delprouvette directet sous le pt dapplication de la charge. C larsistance la traction des cramiques est d 10x + faible que

leur rsistance la compression et que la rupture se produit surla surface de lprouvette expose la tension, lessai de flexionpeut TB se substituer lessai de traction.

45



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33.. PROPRIETESPROPRIETES MECANIQUESMECANIQUES DESDES CERAMIQUESCERAMIQUESCe tableau renferme les valeurs de rsistance la flexion de qlqcramiques.

Matriau Rsistance en flexion [MPa] Module dlasticit [GPa]

Nitrure de silicium (Si3N4)Zirconea (ZrO2)Carbure de silicium (SiC)

Oxyde daluminium (Al2O3)Vitrocramique (Pyrocram)Mullite (3Al2O3 2SiO2)Spinelle (MgAl2O4)Ox de de ma nsium M O

250-1000800-1500100-820

275-700247185

110-245105b

304205345

393120145260225

46

Ds la mesure o, lors de la flexion, 1 prouvette est soumise des contraintes de compression et de tension, sa rsistance enflexion est > sa rsistance la rupture en traction. En outre, rfest fct de la taille de lprouvette. C cela a t mentionn ci-haut, lacroisset du volume de lprouvette soumise 1

contrainte se traduit par laccentuatde dfaut et la diminut dela rsistance en flexion.

Silice fondue (SiO2)

Verre sodocalcique

110

69

73

69a Partiellet stabilis laide de 3% mol de Y2O3 b Fritt et possdant une porosit d 5%



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b. Comportement lastique :

Le comportement lastique contrainte-dformat des

cramiques que rvlent les essais de flexion est analogue auxrsultats que donnent les essais de traction de mtaux : larelation () la contrainte et la dformat est linaire. La fig.

47

-

rupture de lAl2O3 et du verre. Ici encore, la pente ds la rgionlastique correspond au module dlasticit. Les valeurs dumodule dlasticit des cramiques oscillent () 70 et 500 GPa etsont donc lgret > celles des mtaux (cfr le tabl. ci-dessus).



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c. Mcanisme de la dformation plastique :La plupart des cramiques, la tpr ambiante, se rompent avanttoute dformat. La dformatplastique ne se manifeste pas de

m manire ds le cas des cramiques cristallines et des cellesnon cristallines. La dformat plastique des cramiquescristallines, linstar des mtaux, rsulte d1 dplacet de

48

.

cramiques se trouve prcist ds leur rsistance au glisset desatomes (ou dplacet des dislocations). Ds le cas descramiques cristallines liaisons essentiellet ioniques, trspeu de systmes de glisset (plans cristallographiques etdirection ds ces plans) rendant possible le dplacet desdislocations en raison de la charge lectrique des ions. Lors d1glisset ds certaines directions, les ions de m charge se

retrouvent proximit les 1 des autres et engendrent 1 rpulsionlectrostatique qui restreint fortement tout glisset de ce type.



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Par ailleurs, le glisset se produit tout aussi difficillet ds le cas descramiques liaisons surtout covalentes qui sont fragiles pour 3raisons, savoir :

Les liaisons covalentes sont relativet

fortes et directionnelles ;Le nbre de systmes de glisset est assez limit ;Les structures de dislocations sont complexes.

49

dcoule pas d1 dplacet de dislocations parce quelles nepossdent pas 1 structure atomique rgulire. Elle sassimileplutt 1 coulet visqueux c pour les liquides auquel cas lavitesse de dformation est proportionnelle la contrainteapplique (cfr fig.).



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Par suite d1 scission, les atomes ou les ions glissent les 1 parrapport aux autres en rompant et en reconstituant leurs liaisonsmutuelles. Contrairet aux dislocations, le glisset ne suit pas 1

droulet

ou 1 direction privilgis.La viscosit des liquides est relativet faible (e.g. : 10-3 Pa.s

50

2 . ,

lambiante est extrt leve rn raison de leurs liaisons atomiquestrs fortes. A mesure que la tpr augmente, le force de liaisonsdiminue, le glisset ou lcoulet des atomes ou des ions devient +facile et, par consquent, la viscosit diminue.



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3.3. Facteurs mcaniques divers :a. Influence de la porosit :

Certaines techniques de fabrication des cramiques reposent

51

.

compactage ou le formage des ptcules de poudre selon la formevoulue, des pores (espaces vides) () les ptcules de poudredemeurent prsents. Le TT subsquent favorise llimination dela + gde partie de cette porosit, mais cette limination estsouvent incomplte et que le matriau conserve 1 certaineporosit rsiduelle. Or, toute porosit rsiduelle altre les pptslastiques et la rsistance du matriau. La fig.-ci donne laperu

de leffet de la fraction volumique de porosit sur le moduledlasticit de lalumine la tpr ambiante.



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33 O SO S C QU SC QU S SS C QU SC QU S

La porosit entrave la rsistance en flexion pour 2 raisons :Les pores rduisent laire transversale sur laquelle estapplique 1 charge;

Les pores accentuent galet

la concentratde contrainte telenseigne qu1 seul pore sphrique double lampleur de lacontrainte de traction applique.

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marque et il nest pas rare qu1 porosit de 10% vol entrane 1 de cette rsistance de lordre de 50% par rapport la valeurmesure pour le m matriau non poreux. La fig. ci-dessousdonne 1 illustration ambiante.



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b. Duret :Elle est 1 ppt mcanique des cramiques qui est particuliret

utile des fins de meulage ou de polissage dautres matriaux.

En fait, les cramiques sont des matriaux connus les + durs.c. Fluage :

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dformat de fluage conscutive des contraintes (decompression, en gnral) la tpr leve. La tenue en dformatde fluage ds le tps qui caractrise les cramiques est habituellet

semblable celle des mtaux bien que le fluage descramiques se produise des tpr + leves.



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1. Introduction2. Structure des cramiques3. Proprits mcaniques des cramiques

4. Divers exemples

54

44.. EXEMPLESEXEMPLES DIVERSDIVERS


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4.1. Utilisation et proprits recherches par domainea. Secteur mdical

Ce secteur utilise les cramiques en chirurgie rparatrice et dsle milieu dentaire pour leur :biocompatibilit ;

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rsistance leve la corrosion.On distingue couramment 3 types de biocramiques selon les rxdes tissus biologiques (inerte, active, rsorbable) en contactavec ces derniers. Les matriaux utiliss pour la fabricatdepices biomdicales dpendent ainsi de leurs ppts physico-chimiques vis--vis du milieu ds lequel ils sont implants et deleurs ppts intrinsques.



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Certaines cramiques se rapprochent ainsi ds leur compositionchimique de celle de los (en particulier les cramiquesdhydroxyle apatite) et leur compatibilit avec les tissus vivant,

leur aptitude la colonisation par les tissus forms, voire, dscertains cas, leur aptitude 1 substitution progressive parphagocyte, conduisent des russites spectaculaires, () autres,

56

.

Al2O3, corps en Ti) sont 1 bon e.g. de leurs applications.



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b. Secteur de llectronique :

Lindustrie de llectronique est constamt la recherche de

nouveaux matriaux tjrs mieux adapts aux techniquesnovatrices mises au pt, notamment, en matire decapsulatdescircuits intgrs. Ds certains cas, les circuits intgrs sont

57

,

possder les ppts dilectriques voulues (cste dilectrique defaible valeur par e.g.) et dissiper la chaleur produite par escourants lectriques qui circulent ds les composantslectronique (cd tre 1 bon conducteur de chaleur). +lassemblage des composants lectroniques des circuitsintgrs est compact, + la dissipation de la chaleur devient unfacteur essentiel.



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Le Al2O3 est le matriau de base utilis pour la fabricatdesubstrat, en dpit de sa conductibilit thermique relativet faible.En gnral, les matriaux qui sont les mauvais conducteurs de

llectricit le sont aussi pour la chaleur, et inverst

, lexceptdes cramiques trs purs ( la fois isolants lectriques et bonsconducteurs de chaleur) ayant 1 structure cristalline simple (e.g.

58

, . , ,

lAlN en raison de sa conductibilit thermique 10x > celle delAl2O3 et de sa dilatatthermique presque identique celle despuces de silicium des circuits intgrs auxquels il sert desubstrat.



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c. Secteur environnemental :

Les cramiques techniques ont 1 place de choix ds le domaine

de lenvironnet

. Cela est due au dveloppet

de structure poreusecontrle et ses ppts thermiques importantes.Les cramiques sont utilises pour la ralisatde :

59

catalyseurs et pots catalytiques ;

filtres pour lagro-alimentaire et la purification de lH2O ;Filtres particules pour les moteurs diesel ;Traitement des dchets : vitrification des dchets.Pour les filtres trs fins, la porosit de ces cramiques est

gnralet de 40% en vol et le des pores peut tre trs faible(de lordre d1 dizaine de nm pour lultrafiltration)



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d. Secteur des rfractaires :

Les cramiques sont utilises ds le domaine de la mtallurgie,

des rfractaires, pour leurs ppts de :rsistance mcaniques aux hautes tpr ;rsistance aux chocs thermiques ;

60

.

On rencontre les applications des cramiques rfractaires enmtallurgie pour la fabrication de noyaux de fonderie, de moulescarapace, Elles constituent 1 gpe important de cramiques dont lusage est+ larget rpandu. Elles se distinguent surtout par e fait quellesrsistent aux tpr trs leves sans fondre, ni se dcomposer, etpar leur capacit de demeurer non ractives et inertes ds les

milieux rigoureux.



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Les matriaux rfractaires sont commercialiss sous des formesdiverses dont la + connue est la brique. Par ailleurs, ils sontfrquet utiliss ds le revtet de fours servant laffinage des

mtaux et pour la fabricatdu verre, les TT en mtallurgie et l aproductdenergie.La porosit est l1 des lts de la microstructure bien contrler

61

. ,

la force portante et la rsistance la corrosion sont dautant +leves que la porosit est faible. Toutefois, la diminution de laporosit va de paire avec celle des capacits disolatthermiqu eet de la rsistance aux chocs thermiques de la brique. Laporosit optimale dpend videt des conditions dutilisat duproduit rfractaire.



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e. Secteur de laronautique :Laronautique et le spatial font aussi appel aux cramiquespour leurs ppts de fiabilit mcanique et de rsistance des tpr

> 1000 C et aux atmosphres particulires.Depuis la fin de le 2nd guerre mondiale, la tpr des turbines desmoteurs a augment au rythme de 15 C/an en rapport avec es

62

,

quest intervenu le refroidisset des aubes.Les matriaux utiliss doivent avoir 1 ensemble de qualits dersistance au fluage, la fatigue sous contraintes vibratoires, la fatigue sous leffet des gradients thermiques produits lors des

changements de rgime, la corrosion et aux impacts.Les derniers tages du compresseur ne bnficient daucunesource de refroidisset naturelle, et cest la limite du matriau

disponible le + rsistant qui fixe la tpr acceptable et par l m letaux de compression max du moteur.



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Les matriaux base de Ni labors par forgeage classiquesont utiliss couramment ds les moteurs en service ; 1 progrssupplmentaire exige le recours des matriaux allis dont lamise en uvre fait appel la mtallurgie des poudres.

Lavantage de lgret des matriaux composites (revtet

63

ralisation des + gdes aubes de soufflante.

Les cramiques doivent galement assurer 1 bouclier thermique haute tpr sur le nez des navettes principalement lors de la

rentres dans lair de celles-ci.



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4.2. Cramiques de pointeApplication dans les moteurs thermique

Les matriaux cramiques de pointe ont rcemment fait leurapparitds les moteurs combustion interne des automobilescar ils offrent des avantages par rapport aux alliages mtalliques

64

. ,

fonctionnet trs leves ; ce qui rduit la consommat ducarburant, 1 diminutdes pertes dues au frotte t, 1 gde stabiliten labsence d1 systme de refroidisset et 1 masse volumiquetrs faible ; ce qui se traduit par 1 allget des moteurs.

La mise au pt de moteurs incorporant ces cramiques nest pasencore acheve, mais des prototypes de blocs moteurs, desoupapes, de chemise de cylindres, de pistons, de roulements

billes et dautres composants ont dj t fabriqus.


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Le ppal inconvnient dcoulant de la prsence de produitscramiques ds les moteurs thermiques est leur propension devenir fragiles et provoquer des dfaillances majeures cause de leur tnacit la rupture relativet faible. On chercheactuellet accrotre la tnacit des cramiques, notamment, parlintermdiaire des composites matrice mtallique.

66

En outre, il faut amliorer les techniques de traitement pour queles matriaux aient des microstructures dtermines leurconfrant des ppts mcaniques et une rsistance la corrosionuniforme et fiable haute tpr.



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4.3. Exemples de cramiques et leurs applicationsa. Alumine (oxyde daluminium, Al2O3) :Bonne tenue mcanique aux hautes tpr ;Bonne conductivit thermique ;Grande rsistivit lectrique ;Grande duret (2100 Kn) ;

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Inertie chimique.Applications :Isolateurs lectriques ;Supports dlments chauffants ;Protections thermiques ;lments de broyage ;Composants mcaniques ;

Bagues dtanchit ;Prothses dentaires.



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b. Nitrure de silicium (Si3N4) :Bonne rsistance aux chocs thermiques ;Grande duret ;Bonne rsistance lusure et labrasion ;Bonne inertie chimique.

2 types de Si3N4 : li par nitruration de poudre de silicium

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tpr leve (frittage).Applications :Bagues dtanchit pour le moulage des mtaux ;Poudres abrasives ;Outils de coupe ;Rfractaire pour la sidrurgie ;Billes de roulement ;

Soupapes (automobile)



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c. Carborundum (carbure de silicium, SiC (WC)) :Bonne rsistance aux chocs thermiques ;Grande duret (2500 Kn) ;Grande conductivit thermique ;Faible dilatation thermique ;Excellente inertie chimique.

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Outils de coupe ;Rfractaires ;Rsistances chauffantes ;Pices de frottement ;Joints dtanchit des pompes H2O ;Supports de catalyseur.



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d. Mullite (Al6Si2O13) :Bonne rsistance aux chocs thermiques ;Conductivit thermique faible ;Rsistivit thermique importante.Applications :Produits rfractaires ;

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e. Nitrure daluminium (AlN) :Bonne rsistance lectrique ;Conductivit thermique leve ;Transparent aux longueurs donde des visible et infra-rouge ;

Applications :Circuits imprims ;Colonnes thermiques ;

Fentres pour radar ;Creusets pour la fonderie ;



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f. Magnsie (oxyde de magnsium, MgO) :Rsistance aux mtaux fondus ;Bonne rsistance mcanique ;Applications :Rfractaires ;Composants optiques ;

71

.

g. Provskite :Elle constitue 1 vaste famille de matriaux cristallins de formule(A)(B)O3 (BaTiO3, CaTiO3, SrTiO3, (PbSr)TiO3, Pb(Zr0,5Ti0,5)O3).

Applications :Dilectriques pour la fabrication de condensateursmulticouches ;

Thermistances ;Transducteurs pizolectriques.



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g. Zircone (oxyde de zirconium, ZrO2) :Excellentes ppts mcaniques aux tpr leves ;Conductivit thermique faible tpr ambiante ;Conducteur lectrique tpr > 1000 C ;Grande duret ; Bonne rsistance lusure ;Bonne inertie chimique ;

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2 types : zircone non stabilise, utilise en tant quadditif,matriau de revett, poudre abrasive, et zircone stabilise lyttrium (ZrO2/Y2O3 = TZP) ou la magnsie (ZrO2/MgO = TPS).

Applications :Creusets ; Buses de coule ; lments chauffants ;Revett anti-thermique ;

Conducteurs ioniques ;Prothses dentaires.

Documents

Chapitre 2 - Céramiques [Mode de compatibilité]