LES CÉRAMIQUES (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« UNE CÉRAMIQUE TRANSPARENTE Des chercheurs du Faunhofer lnstitute far Ceramic Technologies and Sintered Materia/s, en Allemagne, o nt réussi à fabriquer un nouvea u type d'aluminium ultra-dur et transpa rent ! Pour être précis, i l ne s'agit pas d e l'aluminium auquel nous sommes habitués: c'est de l'oxyde d'aluminium (AI203), plus communément appe lé alumi ne.

Ces cher c heurs ont réussi à obtenir des tuiles d'alumine transparentes en chauffant à 1 200 oc cette alumine finement broyée .

l'armée allemande ainsi que le Pentagone américain, se sont montrés très intéressés par cette céramique révolutionnaire.

la transparence est telle qu'elle pourrait t ro u ver des applications dans la fabricatio n de fenêtres anti-balles, ou bien pour des véhicules de combat.

tuyères , le nez, le bord d'attaque, ou encore le bouclier thermique des engins spatiaux sont donc en partie constitués de céramiques.

De plus , la céramique est plus légère que le métal donc elle permet d'économiser du carburant.

Mais croire que la céramique est un matériau d'élite réservé aux fusées serait réducteur .

Pas plus épais qu'une feuille de papier , un revêtement à base de céramique pourrait bientôt servir à protéger nos voitures, bateaux, ou bâtiments d'habitation d'une chaleur intense , lors d'un incendie , par exemple .

Lf SECTI U R MtDICAL les biocéramiques sont des matériaux qui ne provoquent pas de réactions chimiques hostiles ou autres allergies quand ils sont implantés dans le corps humain.

les prothèses de hanche et les prothèses dentaires P!~~ ~..a (couronnes , bridge s.

etc.) ont été les premières céramiques à recueillir un vif succès en chirurgie .

Aujourd 'hui, la science va plus loin : grâce à des revêtements bioactifs en céramique , on peut désormais réparer les os avec des implants en céramique autour de laquelle la structure osseuse peut se reconstituer.

Cette nouvelle génération de biocéramiq ues s 'avère également très prometteuse pour le développement d'instruments de chirurgie et même de systèmes « bio-absorbables " qui pourraient libérer des médicaments ou autres substances actives dans des zones ciblées du corps humain .

ENERGIE ET TRANSPORT Ces secteurs utilisent les céramiques parce qu'elles apportent des solutions là où les métaux et les polymè res se révèlent inopérants.

De par leurs bonnes propriétés méca niques à des températures supérieures à 1 200 oc et leur résistance élevée à des environnements chimiques agressifs , certains matériaux céramiques sont employés pour la génération et la conversion d'énergie : éléments chauffants pour fours à haute température , échangeurs de chaleur .

les voitures l}Jj;l]t ·jl ~ comportent également de plus en p lus de matériaux de type céramique .

On en trouve aussi bien dans les batteries , les bougies d 'allumage et bougies de préchauffage Diesel que dans les systèmes de fermeture centralisés , ou encore les freins.

l'industrie automobile utilise également des matériaux céramiques pour la fabrication de pots catalytiques .

Le principe de cet équipement d 'échappement est de favor iser la décomposition des gaz toxiques produits par la combustion de l'essence (monoxyde de carbone , hydrocarbures et oxydes d'azote ) en azote , gaz carbonique et eau.

Cette transformation est possible grâce à l'action de l'oxygène .

Mais pour que la réaction ait le temps de se faire, il faut multiplier les surfaces de contact entre les réactifs , sinon les gaz d 'échappement sortent aussi polluants qu'ils ont été créés.

Certaines céramiques peuvent présenter des micro-porosités qui piègent les gaz toxiques et leur laissent donc le temps de réagir avec l'air pour se « nettoyer >>.

L'ENVIRONNEMENT la protection de l'environnement est une des préoccupations majeures de ce début de millénaire .

Hormis les gaz d 'échappement ou les gaz toxiques produits par l'industrie , il reste d 'autres problèmes à résoud re , comme la pollution des eaux ou encore le retraitement des déchets (en particulier ceux du nucléaire) .

Discrète s, mais bien présentes, les céramique s proposent déjà de véritables solutions comme les filtres ou les membranes .

Une membrane est un filtre très spécifique qui laisse passer l'eau, ou tout autre solvant , tandis qu'elle retient les solides , comme le ferait une passoire , mais à des échelles n a noscopiques (100000 fois plus petit q u'u n millimètre).

les céramiq ues peuvent facilement être rendues poreuses (comme par exemple celle du filtre il eau en céramique inventé par des chercheu rs israé liens ) e n contrôlant les paramètres de fabrication (température, pression , type de précurseur , etc.) .

On peut même contrôler la taille du diamètre des pores .

Elles jouent donc à la perfection le rôle de membrane de filtration .

Ces céramiques poreuses trouvent des app lications également dans le dépoussiérage.

les céramiques ou les vitrocéramiques représentent des solution s adéquates pour le retraitement des déchets nucléaires.

Les déchets ménagers , après incinération, conduisent à des céramiques appe lées« REFIOM "· réuti lisable s pour produire des carreaux ou tuiles.

DESIGN ET HABIT AT Le secteur du design et de l 'habitat comprend quatre grandes familles de produits : les produits sanitaires , les -- -----.

carreaux de sol et de mur, la vaisselle, et les matériaux de construction.

les progrès techniques ont par exemp le permis à la vaisselle de ou le four à micro -ondes .

les vitrocéramiques se sont quant à elles imposées dans le domaine des plaques de cuisson .

Composées de verre et de céramique, elles supportent des chaleurs élevées .

PROCÉDÉS DE FABRICATION Il existe différents moyen s de faire une céramique.

Nos ancêt res de la préhistoire avaient recour s au plus classique pour fabriquer leurs poteries : la solidification d 'une pâte .

En mélangeant de l'argile avec de l'eau on obtient en effet une piite facile à mettre e n forme .

En la chauffant à haute température , l'eau s'évapore et le matériau devi ent trè s dur.

Lf FRITTAGE Aujourd'hui l'industrie développe des procédés qui permettent de limiter la complexité des opérations et surtout d 'économiser de l'énergie .

le frittage est un procédé qui découle de la fabricatio n des poteries.

la matiè r e première est une poudre mais on n'y ajoute pas de « liant >> comme l'eau .

G r âce à des fours très puissants, on peut solidifier cette poudre sans avoir besoin de la faire fondre.

Sous l'effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux, ce qui crée la cohésion de la pièce .

De nos jours , le frittage est utilisé pour plusieurs raisons : ·il permet d 'économiser de l'énergie car on utilise des températures i nférieures aux températures de fusion .

Quand on fabrique des métaux, on est en effet obligé de les faire fondre pour leur donner une forme ; • il permet de maîtriser les dimensions des pièces produites.

Comme il n 'y a pas de changement d'état, les variations de volume sont peu importantes par rapport à la fusion :on n'observe pas de phénomène de retrait.

Pour obtenir des formes complexes, on peut injecter la poudre dans un moule, mettre sous pression pour bien tasser et chauffer .

LE PROCÉD t SOL-GEL C'est le procédé actue llement le plus prometteur pour l'industrie car i l ne nécessi t e pas de chauffer les pièces .

Il consiste à polymériser des « précurseurs minéraux en solution >> : les molécules servant à bâtir le matériau baignent dans un liquide , appelé « solvant "· Au fur et à mesure de la réaction , ces précurseurs vont s'assembler, se coaguler pour former un gel visqueux.

Cette viscosité va permettre de faciliter la mise en forme du matériau : on peut déposer la «pâte >> sur des supports , l'étirer pour former des fibres , ou encore l'injecter dans un mou le pour fabriquer des forme complexes.

le dépôt sur support présente un grand intérêt car il permet d'util iser une très faible quantité de matière , souvent coûteuse .

les indu striels ont en effet recours à des astuces pour recouvrir des supports avec le moins de matière possible.

Citons par exemple le « dip coating "· Cette méthode cons iste à plonger le support dans une solution de précurseur et à le ressortir pour la isser sécher la juste quantité de matière nécessaire à le recouvr ir .

le « spin coating " utilise la force centrifuge, comme dans un panier à salade : une goutte de solution est déposée sur le support , que l'on fait ensuite tourner très vite sur lui-même de manière à étaler uniformément le liquide sur toute la surface .

AUTRES PROCÉDtS DE otP6T les industries mécanique et électronique ont besoin de réaliser des dépôts de céramique de plus en plus fins.

De nouvelles technologies se développent pour pouvoir satisfaire ces besoins croissants : • le dépôt par projection thermique, qui permet d'obtenir des couches de 0 ,1 à 1 mm d'épaisseur .

Dans ce procédé , l a céramique est portée à 10 000 oc en phase p lasma (gaz ionisé) et est projetée sur la pièce à revêtir ; • le dépô t en phase vapeur sous vide, qui permet d'obtenir des couches ultrami nces de l'ordre du micron , c'est-à- d ire 1 000 fois plus petit qu'u n millimètre .

LES ASSIMILÉS" CÉRAMIQUES " Certain s matériaux sont en quelque sorte cousins des céramiques car leurs matièr es premières ou leurs modes de fabricat ion sont proches.

les verr es, par exemple , sont obtenus par fusion d'un sable dt silice .

la silice est le composant principal des argiles mais aucun procédé de fabrica tion d'une céramique ne nécessi te une fusion .

les verres sont par ailleurs des matériaux beaucoup plus fragiles que les céramiques .

les émaux, la faïence, et la porcelaine peinent également à se faire accepter par les scientifiques a u rang des cérami ques mais restent heureusement à l'hon neur dans le monde artisanal et artist iq ue.

la porcelaine n'est pas issue d 'une argile naturelle .

Elle résulte d'un m élange de quartz , de feldspath et de kaol ins.

la porcelaine est dense et dure , mais elle est moins poreuse que n'impo rte quelle autre céramique .

l'émail est un verre, composé de silice, d e feldspath, de kaolin et d 'oxyde s métalliques .

Il est souvent appliqué sur les objets de porcela ine pour les décorer.

Les 2 types de dépôt sur support dip coatinz spin coatinz solu tion de p récurseur support séchage cérami que. »