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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