Céramique technique - Définition et Explications

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Introduction

La céramique technique est une branche de la céramique dédiée aux applications industrielles, par opposition aux créations artisanales (poterie) ou artistiques (céramique d'art) ou porcelaine. L'objectif de cette industrie est la création et l'optimisation de céramiques à propriétés physiques spécifiques : mécaniques, électriques, magnétiques, optiques, piézoélectriques, ferroélectriques, supraconductrices...

Pièces de roulements, composite Si3N4
Surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) d'une céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre qui ont subi une transformation physico-chimique...) composite

Définition des céramiques

La société américaine ASTM (American Society for Testing and Materials) définit une céramique comme :

« un article ayant un corps vitrifié ou non, de structure cristalline ou partiellement cristalline, ou de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...), dont le corps est formé de substances essentiellement inorganiques et non métalliques, et qui est formé par une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) en fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à...) qui se solidifie en se refroidissant, ou qui est formé et porté à maturité, en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ou ultérieurement, par l'action de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). »

Il faut donc bien parler ici des céramiques, et non pas de la céramique.

Les céramiques techniques entrent dans trois catégories différentes :

  • les oxydes : oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de...), oxyde de zirconium ;
  • les non-oxydes : carbures, borures, nitrures, céramiques composées de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) et d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) tels que tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de l'allemand Wolfram) et de numéro atomique 74.), magnesium, platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.), ou encore titane ;
  • les céramiques composites : combinaison (Une combinaison peut être :) des oxydes et des non-oxydes.

Chacune de ces catégories possède des propriétés particulières.

Structure

Dans les céramiques les liaisons entre atomes ont un caractère iono-covalent. Les liaisons ioniques ne sont pas directionnelles, elles tendent à maximiser les attractions coulombiennes et minimiser les répulsions isocharges ce qui conduit à des arrangements d'anions et cations très compacts ; les liaisons covalentes sont directionnelles et conduisent quant à elles à des arrangements covalents étendus. Le caractère plutôt ionique ou covalent dépend de la différence d'électronégativité des éléments formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement....) la céramique suivant cette tendance générale : plus la différence d'électronégativité est grande, plus le caractère ionique est important, plus elle est faible, plus le caractère covalent prévaut. Ainsi CaF2 est ionique à 89% et SiC ne l'est qu'à 12% alors que la silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est SiO2.) SiO2 est ionique à 51%. Ce caractère iono-covalent implique des structures cristallines géométriques relativement compactes et étendues.

Propriétés des céramiques

Propriétés mécaniques

Les objets en céramique possèdent généralement une grande résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou...), une faible densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...), une forte dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) et une résistance élevée à l'usure. Cependant, de petites imperfections, notamment de petites fissures dues à un frittage (Bien qu'il n'existe pas de définition du frittage faisant l’unanimité, il peut être décrit comme une consolidation d'un matériau (par exemple une poudre), obtenue en minimisant...) incomplet, dans la céramique peuvent rendre ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) fragiles.

Les céramiques gardent leur solidité même à des températures très élevées, résistent aux chocs thermiques (par exemple les "Tuiles" de la navette spatiale (Une navette spatiale, dans le domaine de l’astronautique, est un véhicule aérospatial réutilisable conçu pour assurer la desserte des stations...) américaine) et ont une forte résistance au vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant progressivement l'aptitude d'un objet, d'une information ou d'un organisme à assurer ses fonctions.) et aux agressions climatiques ou chimiques. Elles ont généralement une conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît...) faible. Elles sont opaques (céramiques cristallines) ou translucides (verres amorphes).

Propriétés électriques

Les céramiques sont d'excellents isolants électriques, ils sont utilisés par exemple comme isolateurs pour circuits électriques à haute tension (La tension est une force d'extension.). Dans certaines conditions, comme des températures extrêmement basses, certaines céramiques deviennent des supraconducteurs.

Caractéristiques environnementales

De par leur caractère de matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) neutre et amorphe, les céramiques sont sans danger pour l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme...) et pour l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à...), et nombreuses sont celles qui sont biocompatibles. Elles sont entre autres utilisées pour les équipements sanitaires, médicaux ou alimentaires.

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