Céramique technique - Définition

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 d'une céramique 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, dont le corps est formé de substances essentiellement inorganiques et non métalliques, et qui est formé par une masse en fusion qui se solidifie en se refroidissant, ou qui est formé et porté à maturité, en même temps ou ultérieurement, par l'action de la 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 d'aluminium, oxyde de zirconium ;
• les non-oxydes : carbures, borures, nitrures, céramiques composées de silicium et d'atomes tels que tungstène, magnesium, platine, ou encore titane ;
• les céramiques composites : combinaison 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 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 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, une faible densité, une forte dureté et une résistance élevée à l'usure. Cependant, de petites imperfections, notamment de petites fissures dues à un frittage incomplet, dans la céramique peuvent rendre ces matériaux fragiles.

Les céramiques gardent leur solidité même à des températures très élevées, résistent aux chocs thermiques (par exemple les "Tuiles" de la navette spatiale américaine) et ont une forte résistance au vieillissement et aux agressions climatiques ou chimiques. Elles ont généralement une conductivité thermique 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. Dans certaines conditions, comme des températures extrêmement basses, certaines céramiques deviennent des supraconducteurs.

Caractéristiques environnementales

De par leur caractère de matériau neutre et amorphe, les céramiques sont sans danger pour l'homme et pour l'environnement, et nombreuses sont celles qui sont biocompatibles. Elles sont entre autres utilisées pour les équipements sanitaires, médicaux ou alimentaires.