IUT Mesures Physiques 1ère année
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Ø Les premières céramiques datent de ~26000 av. J.-C.
- Vénus de Dolni-Vestonice (Tchécoslovaquie, Argile et cendres d’os, T < 900 °C)
Ø Découvertes réparties sur l’ensemble du globe
- ~ 12000 av. J.-C., Japon, traces carbonées qui attestent de l’usage pour la cuisson
- 7000 - 6000 av. J.-C., Jordanie, statuettes de plâtre, décor : chaux, ocre, charbon de bois, bitume et dioptase (silicate de cuivre hydraté, vert)
- 4000 av. J.-C., Iran, terre cuite, surface décorée
Ø Artisanat vers 8000 av. J.-C. à partir de la sédentarisation des peuples
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1. Historique
IUT Mesures Physiques 1ère année
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Ø Les progrès sont lents- Secrets de fabrication jalousement gardés- Processus complexes et mal maîtrisés
Ø Porcelaine découverte en Chine ~1000 av. J.-C. - Ramené en Europe par Marco Polo au XIIe siècle- 1ère porcelaine au XVIe siècle en Italie et au XVIIIe en France
Ø Les poteries grecques présentent des décors noir et rouge
- Argile riche en Fe- La couleur de la terre cuite dépend du degré d’oxydation du fer- Recuit en atmosphères variables
Ø XXe siècle : chimie et électricité améliorent les connaissances et la qualité des céramiques
1. Historique
IUT Mesures Physiques 1ère année 4
2. Définitions
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Le terme « céramique » provient du mot grec « keramos » signifiant « matière cuite ».
Une céramique est un matériau inorganique de synthèse, non métallique, obtenu par un procédé de consolidation thermique, appelé « frittage », de poudres pures ou mélangées.
Les composés céramiques combinent métal et non-métal
→ Oxydes, nitrures, borures, halogénures,…
IUT Mesures Physiques 1ère année 5
2. Définitions
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Le terme « céramique » provient du mot grec « keramos » signifiant « matière cuite ».
Une céramique est un matériau inorganique de synthèse, non métallique, obtenu par un procédé de consolidation thermique, appelé « frittage », de poudres pures ou mélangées.
IUT Mesures Physiques 1ère année 6
2. DéfinitionsØ Les céramiques traditionnelles
base : argiles = silicates d’alumine hydratés
ex : Si2O5Al2(OH)4Si4O10Al5/3Mg1/3Na1/3(OH)2KAl2(AlSi3O10)(OH)2
teneur en eau ì
IUT Mesures Physiques 1ère année 7
2. DéfinitionsØ Les céramiques traditionnelles
base : argiles = silicates d’alumine hydratés
ex : Si2O5Al2(OH)4Si4O10Al5/3Mg1/3Na1/3(OH)2KAl2(AlSi3O10)(OH)2
teneur en eau ì
pâte plastique facile à travailler
IUT Mesures Physiques 1ère année 8
2. Définitions
Faïence (porosité élevée) Porcelaine (faible porosité)
émail
pore
phase vitreuse
quartz
Q = quartz : SiO2A = alumine : Al2O3
M = mullite : 3Al2O3-2SiO2
Ø Les céramiques traditionnelles
IUT Mesures Physiques 1ère année
• Un matériau est dit réfractaire lorsqu’il résiste à des températures supérieures à 1500°C environ, sans modification notable de ses propriétés chimiques ou physiques.→ pas de modification des matériaux avec lesquels il se trouve en contact→ résistance aux variations de température et aux chocs thermiques→ conductivité thermique parfaitement contrôlée.
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2. DéfinitionsØ Les réfractaires
• Poudres d’oxydes, de nitrures… peu purifiées et grossières (≈ 100µm → plrs mm)
• Principal secteur d’utilisation : sidérurgie
• Autres domaines : production chaux et ciments, verrerie, fours incinération ordures ménagères, tuiles navette spatiale…
IUT Mesures Physiques 1ère année
SynthèseEx1 : procédé Bayer → alumine Al2O3
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3. Procédés de fabrication
Matières premières
Kaolins = argiles blanches
IUT Mesures Physiques 1ère année 17
3. Procédés de fabrication
Matières premières Synthèse
Kaolins = argiles blanches
Ex1 : procédé Bayer → alumine Al2O3Ex2 : procédé sol-gel → oxydes Al2O3, SiO2, TiO2…
eau +
catalyseur
IUT Mesures Physiques 1ère année 18
3. Procédés de fabrication
Matières premières Synthèse
Kaolins = argiles blanches
eau +
catalyseur
1ère étape : hydrolyse
Ex1 : procédé Bayer → alumine Al2O3Ex2 : procédé sol-gel → oxydes Al2O3, SiO2, TiO2…
IUT Mesures Physiques 1ère année 19
3. Procédés de fabrication
Matières premières Synthèse
Kaolins = argiles blanches
eau +
catalyseur
1ère étape : hydrolyse
2ème étape : condensation
Ex1 : procédé Bayer → alumine Al2O3Ex2 : procédé sol-gel → oxydes Al2O3, SiO2, TiO2…
IUT Mesures Physiques 1ère année 20
3. Procédés de fabrication
Matières premières Synthèse
Kaolins = argiles blanches
eau +
catalyseur
Ex1 : procédé Bayer → alumine Al2O3Ex2 : procédé sol-gel → oxydes Al2O3, SiO2, TiO2…
IUT Mesures Physiques 1ère année 22
3. Procédés de fabrication
concassage broyage
Ø Traitement des poudres
IUT Mesures Physiques 1ère année 24
3. Procédés de fabrication
Ø Traitement des poudres
contrôle granulométrique
IUT Mesures Physiques 1ère année 25
3. Procédés de fabrication
Ø Traitement des poudres
caractérisation de la surface spécifique
= superficie réelle de la surface d'un objet par opposition à sa surface apparente
IUT Mesures Physiques 1ère année 26
3. Procédés de fabrication
Ø Traitement des poudres
caractérisation de la morphologie
IUT Mesures Physiques 1ère année 28
3. Procédés de fabrication
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• Ajout de dispersants• Ajustement du pH• Ultrasons
ü Barbotineü Pâte
ü Séchage de la barbotine par atomisation
IUT Mesures Physiques 1ère année 34
3. Procédés de fabrication Ø Mise en forme
moulage par injection
IUT Mesures Physiques 1ère année 40
3. Procédés de fabrication Ø Frittage
ü Frittage en phase solide : les constituants restent à l’état solide tout au long du frittage
ü Frittage en phase liquide : formation d'un liquide visqueux (généralement eutectique à bas point de fusion) qui remplit plus ou moins complètement les espaces poreux du compact initial (ex: porcelaines). La densification se produit principalement par mise en solution et reprécipitation du solide
ü Frittage réactif : deux ou plusieurs constituants entrent en réaction pendant le frittage. La densification se fait par reprécipitation du nouveau composé
Passage d’un compact pulvérulent à un matériau dense sous l’effet de la chaleur
IUT Mesures Physiques 1ère année 41
3. Procédés de fabrication Ø Frittage
Passage d’un compact pulvérulent à un matériau dense sous l’effet de la chaleur
§ Conservation de la forme de la pièce
§ Diminution de son volume : phénomène de retrait
IUT Mesures Physiques 1ère année 43
3. Procédés de fabrication Ø Frittage
Stade initial du frittage = formation des cous
IUT Mesures Physiques 1ère année
Stade intermédiaire du frittage = fermeture de la porosité
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3. Procédés de fabrication Ø Frittage
IUT Mesures Physiques 1ère année
Stade final du frittage = élimination de la porosité fermée et grossissement des grains
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3. Procédés de fabrication Ø Frittage
IUT Mesures Physiques 1ère année
4. Microstructure des céramiques
• grains
• joints de grains
• pores
• différentes phases
• défauts
taille moyenne, dispersion de taille, forme,…
structure fine, ségrégations chimiques, désaccord d’orientation,…
taille moyenne, coordinence, dispersion de taille, interconnexion : pores ouverts ou fermés, localisation : inter ou intragranualires
composition chimique, structure : cristallisée ou amorphe, quantités respectives, interconnexion, localisation,…
nature, caractéristiques, sévérité vis-à-vis d’une propriété donnée,…
IUT Mesures Physiques 1ère année
5. Propriétés des céramiques• Mécaniques
Dureté élevée
Comportement fragile (pas de domaine ductile)
Faible résistance aux chocs thermiques
• Thermiques
Résistance aux températures élevées (comportement réfractaire)
Faible conductivité thermique (pour les oxydes)
Faible coefficient de dilatation thermique
• ElectriquesPrincipalement des isolants
Supraconducteurs à haute température critique, SC, conducteurs ioniques
• ChimiquesRésistance à la corrosion même à haute température
• PhysiquesFaibles masses volumiquesTempératures de fusion élevées