Généralités sur les céramiques

Généralités sur les céramiques 

Historique et définition

Rappel historique

Technique millénaire, la céramique (du grec keramikos, « argile cuite ») est le premier matériau que l’homme ait fabriqué par transformation de matières premières. C’est l’art dont les procédés ont le moins changé : on façonne une pâte que l’on cuit dans un four pour effectuer la transmutation de matière qui aboutira à un objet de céramique. Les céramiques doivent leurs qualités distinctives tant à la composition de la pâte qu’aux modalités de cuisson. Les nuances de couleurs, les variétés d’aspect dépendent des composants de la pâte : les métalloïdes qu’ils contiennent provoquent des réactions colores différentes suivant que l’on opère la cuisson en atmosphère oxydante ou réductrice. Les premières céramiques employées étaient les silicates. Elles étaient utilisées pour les poteries émaillées. Elles ont connu ensuite une utilisation plus étendue allant de la porcelaine aux appareils sanitaires. Les oxydes purs, les carbures, les borures, les nitrures, les siliciures, les sulfures ont été successivement inclus dans la catégorie des céramiques.

Définitions de la céramique

Définition classique
Selon celle du dictionnaire Larousse la céramique est l’art de fabriquer des poteries, fondé sur les propriétés des argiles de donner avec l’eau une pâte plastique facilement à façonner, devenant dure, solide et inaltérable après cuisson. La céramique ainsi décrite, désigne à la fois un type de matériaux (l’argile durcie), un procédé spécifique de fabrication (le façonnage puis la cuisson d’une pièce), et le produit ou l’objet obtenu (la poterie).

Définition moderne
Selon la définition de l’Académie des Sciences des Etats-Unis. Les céramiques sont des matériaux non organiques, non métalliques, formés ou consolidés à haute température. Cette définition ne concerne que la nature des produits (ou matériaux) céramiques et ne décrit pas la céramique en tant que procédé (ou art).

Autres définitions 
a) Produit céramique : pièce constitué d’un matériau céramique, obtenue généralement par un procédé spécifique (technologie céramique) ;
b) Art céramique ou technologie céramique : procédé de fabrication consistant à façonner, à la forme désirée, un objet composé de poudres minérales, puis, par cuissons à haute température, à consolider cet objet dont la forme reste conservée;
c) Matériau céramique : matériau solide artificiel constitué de minéraux anhydres cristallisés, éventuellement associés à une phase vitreuse, formés par synthèse à haute température.

Nature, structure et propriétés des matériaux céramiques

Nature

Notion de composant
La structure des céramiques peut aller de la forme la plus simple, c’est-à-dire celle d’un solide constitué d’une phase (cristalline ou vitreuse), jusqu’à celle d’un composite constitué par la juxtaposition de plusieurs phases, théoriquement incompatibles, mais dont la réaction attendue, à haute température, n’a été partielle, et donc qui coexistent après refroidissement.

Nature chimiques des composants
D’après la définition, on désigne comme composant de matériau céramique les minéraux compatibles avec le processus céramique, qui fait appel à un chauffage à température élevée. Ces composants sont donc avant tout des minéraux, c’est-à-dire des corps solides à température ambiante, cristallisé ou non, dont la composition n’est ni métallique ni organique. Cela revient à dire que, du point de vue de leur composition chimique, ces minéraux ne peuvent être constitués que de metalloïdes libres et de leurs combinaisons, ou de combinaisons d’un ou plusieurs métalloïdes et d’un ou plusieurs métaux.

Nature minéralogique des composants 

Un même composé correspondant à une combinaison de différents éléments, dont les proportions sont biens définies, peut présenter différents arrangements atomiques et constituer des cristaux ayant différentes structures (polymorphe). Théoriquement, chaque espèce cristalline possède son domaine de température et de pressions dans lequel elle est stable. Pratiquement, il est fréquent de rencontrer une espèce cristalline en dehors de ce domaine de stabilité, et en particulier à température ambiante (c’est-à-dire après refroidissement des céramiques). Aux différences de structure des polymorphes sont associés des différences de caractéristiques et en particulier de densité et de coefficient de dilatation.

Les propriétés des céramiques sont fonction de celles de leurs constituants et par conséquent de la nature minéralogique de ceux-ci.

On citera les exemples suivants :

❖ La silice non combinée SiO2 est l’un des composants courants des céramiques industrielles. Elle peut se rencontrer sous forme des trois espèces cristallisées (quartz, tridymite, cristobalite) dont la première est l’espèce théoriquement stable à température ambiante. Chacune de ces espèces possède plusieurs variétés allotropiques et le passage de l’une à l’autre se produit, de façon réversible, à des températures définies. A ces espèces cristallisées s’ajoute l’espèce vitreuse, correspondant à la silice fondue, non dévitrifiée au refroidissement. Pratiquement, dans certaines céramiques, plusieurs de ces espèces coexistent dans des proportions dépendant des conditions de fabrication (granulométrie, température de cuisson,…). De ces proportions découlent des propriétés de ces céramiques, telles que résistance aux chocs thermiques, accord dilatométrique de la céramique et de l’email qui la recouvre.

❖ La zircone ZrO2 peut de même se rencontrer sous forme de trois espèces cristallisées (monoclinique, tétragonale, cubique) possédant chacune son domaine de stabilité théorique, mais pouvant se rencontrer, à l’état métastable, en dehors de ce domaine et pouvant également coexister. Les propriétés thermiques, mécaniques et électrique des céramiques de zircone (ou contenant une phase de ZrO2 libre) dépendent, comme dans le cas précédent, des proportions des polymorphes présents.

❖ L’alumine Al2O3 : Se rencontre dans la nature sous la forme de minerais telle que la bauxite, la bayerite, le corindon, la diaspore et la gibbsite.

Cet oxyde existe sous plusieurs formes :
↪︎ α-Al₂O₃, la forme pure obtenue par calcination à température élevée.
↪︎ β-Al₂O₃, est le composé Na₂O.Al₂O₃.
↪︎ γ-Al₂O₃, stable jusqu’à 1000 °C et contient des traces d’eau ou d’ions hydroxyle.

Télécharger le document complet