Chimie des matériaux - Notes de cours
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Chimie des matériaux - Notes de cours
ENSEIGNEMENT DE PROMOTION SOCIALE —————————————————————— Cours de CHIMIE DES MATERIAUX - Céramiques —————————————————————— NOTES PROVISOIRES H. Schyns Mai 2008 Céramiques Sommaire Sommaire Avertissement : Les chapitres de ce document ne sont pas terminés. Ils consistent en une juxtaposition, en principe organisée, de paragraphes provenant de diverses sources. Certains sont déjà définitifs d'autres sont encore dans leur forme originale. Ce document provisoire est mis tel quel à la disposition des étudiants afin qu'il puissent compléter les notes prises au cours. 1. INTRODUCTION 2. CLASSES DE CÉRAMIQUES 2.1. Définition 2.2. Chemical Properties 2.3. CLASSES DE CÉRAMIQUES 2.4. LES CÉRAMIQUES OXYDES 2.5. LES CÉRAMIQUES NON-OXYDES 2.6. Les céramiques naturelles 2.7. Ciment et béton 2.8. Céramiques vitrifiées 2.9. Les céramiques techniques 2.10. Les composites à base de céramiques 3. MICROSTRUCTURE DES CÉRAMIQUES 3.1. Céramiques ioniques et covalentes 3.1.1. Les céramique ioniques 3.1.2. Les céramique covalentes 3.1.3. Les céramiques ioniques simples 3.2. La silice et les silicates 3.3. Les alliages de céramiques 3.4. La microstructure des céramiques 4. MATIÈRES PREMIÈRES 4.1. Céramiques traditionnelles : 4.2. Céramiques techniques : 4.3. Les synthèses chimiques : 4.4. Elements chimiques 4.5. Alumina Ceramics 4.6. Silicon Nitride 4.7. Silicon Carbide H. Schyns S.1 Céramiques Sommaire 4.8. Zirconia Ceramics 5. PROCÉDÉS DE FABRICATION 5.1. Schéma de principe 5.2. MISE EN FORME DES CÉRAMIQUES 5.3. Céramiques : 5.4. Céramiques vitrifiées : 5.5. Le frittage 5.6. DENSITÉ ET POROSITÉ : 5.7. III. Manufacture 5.8. A. Molding 5.9. B. Densification 6. PROPRIÉTÉS DES CÉRAMIQUES 6.1. Généralités 6.2. Propriétés mécaniques 6.3. Dureté 6.4. Résistance à la rupture des céramiques 6.5. Résistance aux chocs thermiques 7. USAGES 7.1. Céramiques dans l’automobile 7.2. Céramiques pour les outils de coupe 7.3. Céramiques en biomécanique 7.4. Céramiques dans le nucléaire 8. LIANTS MINÉRAUX 8.1. Le plâtre 8.2. La chaux 8.3. Fabrication 8.3.1. Procédé humide 8.4. Fabrication de la chaux 9. SOURCES H. Schyns S.2 Céramiques 1. 1 - Introduction Introduction Dans le langage courant, les céramiques sont généralement associées à la poterie, à la faïence culinaire ou sanitaire et aux carrelages. Le mot "céramique" vient d'ailleurs du grec "Keramos" signifiant "poterie". Le mot grec est lui-même originaire d'un terme sanskrit désignant "faire brûler". Aujourd'hui, par céramique, on entend une grande famille de matériaux inorganiques caractérisés par des liaisons fortes ioniques et/ou covalentes. Cette famille regroupe pèle mêle : les roches, les bétons, les verres, les carbures, les nitrures... En caricaturant à peine, on peut dire que si un matériau n'est ni un métal, ni un alliage, ni un polymère organique, alors c'est une céramique. Du point de vue chimique, les céramiques sont constituées essentiellement d'oxydes. Leur cohésion est assurée par des liaisons fortes qui se traduisent en pratique par une très bonne tenue en température et un comportement élastique excellent. Par contre, comme les céramiques sont peu ou pas cristallines, elles n'ont qu'une faible plasticité. Elles sont donc fragiles, peu tenaces, peu ductiles, mais en revanche, résistantes à l’usure. Les céramiques ont en outre de hauts points de fusion et une bonne résistance à la corrosion. Les utilisations modernes des céramiques ne sont plus limitées aux domaines traditionnels et on les emploie de plus en plus en électrotechnique et en construction mécanique. Les céramiques, bien que présentant un comportement fragile, ont été utilisées en tant que matériaux de construction depuis l'antiquité : 6 − Pyramides de Gizeh (10 T de céramique massive); − Parthénon d'Athènes; − Muraille de Chine. H. Schyns 1.1 Céramiques 2. 2 - Classes de céramiques Classes de céramiques 2.1. Définition La grande famille des céramiques contient également les verres et les liants hydrauliques (ciments et plâtres). La catégorie qui nous intéresse plus particulièrement dans ce document concerne les céramiques proprement dites, qui l'on peut différencier des autres par l'ordre des étapes de fabrication et de mise en œuvre : Matériau Etape 1 Etape 2 Etape 3 Céramiques Poudre Mise en forme Cuisson Verres Poudre Cuisson Mise en forme Liants hydrauliques Cuisson Poudre Mise en forme A cause de leur point de fusion très élevé, les céramiques proprement dites ne peuvent être coulées ni forgées ni laminées. La matière première est d'abord réduite en poudre et la mise en forme DOIT précéder l'étape de cuisson. Dans le cas des verres, la matière première doit être réduite en poudre afin de faciliter la fusion. Le verre pâteux peut ensuite être mis en forme. Enfin, les plâtres et ciments doivent d'abord subir une étape de cuisson (déshydatation) au cours de laquelle ils sont progressivement réduits en poudre. Ils ne sont mis en forme qu'au moment de leur utilisation. 2.2. Les céramiques naturelles La pierre est le plus ancien, le plus durable et le plus courant des matériaux de construction. L'argile est une roche plastique, imperméable et résistante quand elle est imbibée d'eau, qui durcit à la cuisson de façon irréversible. Les argiles, souvent employées dans l'industrie, constituent un groupe d'aluminosilicates hydratés formés par l'altération de roches feldspathiques comme le granit. Les grains individuels des minéraux argileux sont de taille microscopique et semblable à des plaquettes. Cette structure en feuillets engendre une très grande surface qui leur permet d'absorber de grandes quantités d'eau. ce qui leur donne leur plasticité et fait gonfler certaines variétés. Ce feuillage, qui présente de très nombreuses variantes selon le mode d'empilement des plaquettes élémentaires, est le principale critère de distinction de nombreuses variétés minérales : la kaolinite, l'illite, la montmorillonite, le chlorite... Une des céramiques naturelles est unique, il s'agit de la glace qui se forme en quantité énorme à la surface de la terre jusqu'à 3km d'épaisseur et 3000km de diamètre au niveau de la calotte glacière antarctique. Exemple de céramiques naturelles : − − − Calcaire (CaCO3) Grès (SiO2) Granit (Silicate d'alumine) − Glace (H20) H. Schyns 2.1 Céramiques 2.3. 2 - Classes de céramiques Chemical Properties Les céramiques industrielles sont principalement des oxydes, mais certaines sont des carbures (carbone et métaux lourds), nitrures, borures et siliçures. Par exemple, l'oxyde d'aluminium peut être l'ingrédient principal d'une céramique à concurrence de 85 à 93%. Les composants primaires, tels que les oxydes peuvent aussi être chimiquement combinés pour former des composants complexes qui sont l'ingrédient principal d'une carémique. Des exemples de tels composés complexes sont le titnate de barium (BaTiO3) et ka ferrite de zinc (ZnFe2O4). Le carbone sous forme de diamant ou de graphite peut aussi être considéré comme une céramique. Les matériaux céramiques sont constitués de phases inorganiques et non métalliques, à liaisons essentiellement iono-covalentes, non totalement vitreux et généralement consolidés par frittage d’un compact pulvérulent mis sous la forme de l’objet voulu. 2.4. CLASSES DE CÉRAMIQUES Ces composés qui contiennent à la fois des éléments métalliques (Al, Mg, Zr…) et non métalliques (O, N, C, B…), donnent ainsi des oxydes, des carbures, des nitrures, des borures… pour lesquels les liaisons interatomiques sont soit covalentes, soit ioniques, soit dans un état intermédiaire. Plus le caractère covalent de la liaison augmente, plus la température de fusion ou de décomposition, la résistance à la corrosion, le module d’élasticité et la dureté augmentent et le coefficient de dilatation diminue. Les matériaux céramiques sont en général durs et fragiles à la rupture tout en se caractérisant parfois par des résistances mécaniques très élevées. Matériau % covalent Coeff . dilat. α -6 -1 (10 K ) HV (°C) Mod. Young E (GPa) T°fus , T°dec SiO2 49 1700 54 11 5 Al2O3 63 2030 360 8,1 25 Si3N4 70 1900 300 3,1 16-25 SiC 89 2700 400 4,3 28-33 Contrairement aux céramiques dites “traditionnelles” préparées à partir de matières premières naturelles (poteries), les céramiques “techniques” sont préparées à partir de matériaux synthétiques ou de matériaux naturels purifiés. On peut distinguer les céramiques “oxydes” et les céramiques “non-oxydes”. 2.5. LES CÉRAMIQUES OXYDES Elles se caractérisent, par rapport aux métaux, par une température de fusion très élevée et une grande stabilité chimique même à haute température. H. Schyns 2.2 Céramiques 2 - Classes de céramiques Alumine Silice Cordiérite magnésiée Zircone yttriée Zircone T° fusion (°C) 2030 1710 1450 2720 2720 Masse vol. (g.cm-3) 3,98 2,2 2,5 6,05 6,05 Résistance rupture (MPa) 400 75 50-100 600 800-1200 Coef. dilat. thermique (10-6K-1) 8,1 0,4 2-3.7 9,8 10,5 Résist. chocs therm. (∆T °C) 150 élevée 300 300 250 Résistivité électrique (Ω.cm) >1012 1010 1012 >107 >107 Conductiv. thermique (W.m-1.K-1) 36 1,5 4 2,3 2,9 Dureté (GPa) 25 5 9 12 14 3-4,5 0,6 1,5 5 7-12 K1C (MPa.m-1/2) Alumine Al2O3 : élaborée à partir de la bauxite (alumine hydratée), elle est utilisée pour ses propriétés de stabilité, pureté, réfractarité, inertie chimique... Le quart des alumines produites passe dans les réfractaires. Silice SiO2 : la silice vitreuse, du fait de son coefficient de dilatation faible et de l’absence de changement de phase cristalline en température, présente une excellente résistance aux chocs thermiques. Cette propriété ainsi que sa transparence la font utiliser, entre autres, pour fabriquer des coiffes de missile. Cordiérite 2MgO,2Al2O3,5SiO2 : très résistante aux variations brusques de température ainsi qu’à la corrosion à chaud elle est utilisée comme réfractaire. Par exemple, sous forme d’un substrat à structure en nid d’abeille, elle sert de support aux catalyseurs (métaux précieux) pour le traitement des gaz d’échappement. Zircone ZrO2 : la zircone existe sous l’une des trois formes cristallines (formes allotropiques) monoclinique –1100 °C – quadratique – 2300 °C – cubique –2700 °C ( fusion) Ces transformations s’accompagnent de variations de volume (dilatation de 3 à 5 % lors de la transformation quadratique-monoclinique). La température de frittage se situant vers 1450 °C, il est nécessaire de stabiliser la zircone dans l’une des structures haute température afin d’éviter une fragmentation lors du refroidissement. L’addition de quelques % de MgO, CaO, Y2O3 ou de CeO2 conduisent à ce résultat. Par exemple : Mg-PSZ (zircone partiellement stabilisée au magnésium) : elle est constituée de particules de zircone quadratique et monoclinique dispersées dans une matrice de zircone cubique. Y-TZP : (zircone stabilisée sous forme quadratique par de l’oxyde d’Yttrium (Y2O3). H. Schyns 2.3 Céramiques 2.6. 2 - Classes de céramiques LES CÉRAMIQUES NON-OXYDES Les plus courantes sont les carbures tels que SiC, les carbures des métaux de transition TiC, ZrC, HfC ainsi que VxC, NbxC, TaxC, MoxC, WxC et les nitrures tels que Si3N4, AlN, TiN, … Dans l’ensemble, ces matériaux vont présenter une grande dureté (B4C, TiC, SiC, WC, …), une faible ténacité comparée à celle des métaux et alliages (généralement < 10 MPa.m2) reflétant leur fragilité et une très bonne résistance à la corrosion et à l’usure. SiC Si3N4 T décomposition (°C) 2300-2500 1750-1900 Masse volumique (g.cm-3) 3,17-3,20 3,10-3,19 Limite d'élasticité estimée (MPa) 10000 8000 Module d’élasticité estimé (GPa) ~400 ~300 Dureté (GPa) 28-33 16-25 Rm (MPa) 240-520 415-965 1,5-8 2,5-8 Coefficient dilat. thermique (10-6.K-1) 4,3-5,5 3,1 Conductivité thermique (W.m-1.K-1) 40-120 16-25 Résistivité électrique (Ω.cm) 10-40 25 K1C (MPa.m-1/2) 2.7. Céramiques ioniques et covalentes On différencie les céramiques à caractère majoritairement covalent et celles à caractère majoritairement ionique dans leurs liaisons atomiques. 2.7.1. Les céramique ioniques Les céramique ioniques sont composées d'un métal et d'un non-métal. L'attraction électrostatique entre charges de signes opposés constitue la source principale de liaison. Les ions adoptent un empilement dense afin de minimiser les distances entre charges de signes opposés. Cet empilement est aussi contrôlé par une restriction que les charges de même signe ne se touchent pas. La structure de ce type de céramique est généralement cristalline. Exemples : − − H. Schyns Chlorure de Sodium (NaCl) Magnésie (MgO) 2.4 Céramiques 2 - Classes de céramiques − Alumine (Al2O3) − Zircone (ZrO2) 2.7.2. Les céramique covalentes Les céramique covalentes sont composées de deux non-métaux ou d'éléments purs. La cohésion du solide est assurée par la présence de liaisons covalentes, c'est-àdire le partage des atomes avec ses voisins. L'énergie est minimum, non par le développement d'un empilement dense comme pour les céramiques ioniques, mais par la formation de chaînes, feuillets ou réseaux. Les céramiques à liaisons covalentes sont plus fréquement amorphes. (SiO2)x(Na2O)y,nH2O + y H2SO4 –––> x SiO2 + y Na2SO4 + (y+n) H2O Exemples : − − Silice (Si02) Diamant (C) − Silicium (Si) 2.7.3. Les céramiques ioniques simples La plupart des céramiques ioniques de formules AB ont une structure proche de celle du chlorure de sodium (NaCl) qui est utilisé comme sel de table. 2.8. Céramiques vitrifiées Les poteries, tuiles, briques de construction et réfractaires sont constituées d'argiles mises en forme à l'état humide (où elles possèdent un comportement plastique), puis séchées et cuites. Après cuisson, ces céramiques sont constituées de phases ordonnées (cristallines), à base de silicate, enrobées de phases désordonnées (amorphes ou vitreuse) à base de silice. La phase vitreuse fond au moment de la cuisson et s'étend entre les différentes parties cristallines, assurant la cohésion de l'ensemble. 2.9. Les céramiques techniques La plus connue reste le diamant, utilisé industriellement pour élaborer des outils de coupe, des filières, etc. Son coût élevé a largement contribué au développement de nouveaux matériaux. La résistance mécanique d'une céramique dépend : - de sa ténacité (K1c) de la distribution en taille des micro fissures (cf. T.D.) Ainsi les céramiques techniques modernes présentent-elles, des valeurs de ténacité plus importante couplées à une distribution moins dispersée en taille de micro fissures. Les monocristaux d'alumine (rubis et raphirs) sont principalement fabriqués à l'aide du chalumeau de Verneuil. Un mélange de poudre (<50 mm) de Al2O3 et Cr2O3 (pour un rubis) tombe à travers un chalumeau oxhydrique (chauffé par combustion de H2 avec O2). La poudre fond et cristallise à la surface d'un cristal placé dans l'orientation souhaitée. Lors de l'élaboration, le cristal est soumis à un mouvement de H. Schyns 2.5 Céramiques 2 - Classes de céramiques rotation et est abaissé de façon continue (1 cm/h) afin de maintenir constante la distance surface du cristal - chalumeau. Ces cristaux sont également fabriqués par fusion de zone à l'aide de la technique de la zone flottante. La production est de 400 à 500 t/an dans le monde. Ils sont utilisés en joaillerie et industriellement comme fenêtre en milieu corrosif, à haute température, en optique infra rouge, UV et laser, comme substrat électronique. D'autres céramiques techniques ont une importante place industrielle, il s'agit des céramiques piézo-électriques comme le Titanate de Baryum. Un transducteur transforme un signal électrique en un signal mécanique et inversement. Ce sont les transducteurs des sondes qui permettent de générer les ondes acoustiques et de les recueillir. La piézo-électricité est la propriété de certains cristaux de générer de l'électricité sous l'effet d'une pression et inversement. Les cristaux piézo-électrique engendrent une tension proportionnelle à la déformation à laquelle ils sont soumis. Leur tension de sortie est relativement élevée et ils sont insensibles à l'humidité et aux différences de température. Ils sont employés pour l'acoustique (microphone, enceintes) ou dans d'autres applications électroniques. 2.10. Les composites à base de céramiques Compte tenu des propriétés exceptionnelles de rigidité et de dureté des céramiques, on a associé cette classe de matériaux avec d'autres, plus résilients, tels que les polymères ou les métaux. Exemple : Polymères renforcés fibre de verre ou de carbone. La fibre, de part son module élevé, assure la fonction de rigidité du composite. Si une fibre se rompt, la fissure s'émousse dans le polymère sans forcément entraîner la ruine totale du matériau. H. Schyns 2.6 Céramiques 3. 3 - Microstructure des céramiques Microstructure des céramiques On peut séparer les céramiques en deux grandes classes, suivant qu'elles sont cristallines ou amorphes. 3.1. La silice et les silicates Les silicates sont par définition des substances contenant du silicium, de l'oxygène et un autre métal avec ou sans oxygène. L'écorces terrestre est essentiellement composée de silicates, les géologues estiment qu'ils représentent jusqu'à 90% de l'écorce terrestre. Parmi tous les matériaux bruts utilisés par l'homme, la silice et ses composés sont les plus largement abondant et bon marché. Le motif de base formant les silicates est Si04 qui se dispose en tétraèdre est très stable. Les tétraèdres SiO4 (correspondant au monomère) peuvent se lier entre eux soit directement soit par l'intermédiaire d'une liaison avec un ion métallique (M). La silice peut être combinée avec des oxydes métalliques tels que MgO, CaO ou Al2O3. Trois cas de figures peuvent se produirent, en fonction du rapport MO/Si02 - - - Supérieur à 2 Le silicate résultant est composée de monomères Si04 isolés et reliée par des molécules d'oxyde métallique (MO) Légèrement inférieur à 2 Des dimères de silice se forment avec 1 atome d'oxygène commun aux 2 monomères Inférieur à 2 Le degré de polymérisation croît, avec formation de longues chaînes …Si-OSi… des oxygènes de chaque tétraèdre sont partagés. Dans le troisième cas, si 3 oxygènes de chaque tétraèdre sont partagés, des structures en feuillets se forment (argiles, talc, mica, etc.). Les feuillets sont fortement polarisés, c'est-à-dire qu'ils possèdent des charges négatives sur l'une des face et positives sur l'autre. Ceci provoque de fortes interactions avec l'eau (fortement polaire), conduisant à la formation d'eau entre les feuillets et rendant plastique les argiles gonflées à l'eau. Les feuillets peuvent glisser facilement les uns sur les autres, bien que la structure des feuillets reste intacte. 3.2. Les alliages de céramiques Les céramiques, tout comme les métaux, peuvent former des alliages. Cependant, les raisons du développement d'alliage céramique sont différentes de celles qui ont motivées le développement d'alliages métalliques. Cependant, les raisonnements sur les alliages métalliques peuvent se transférer aux céramiques et reposent principalement sur l'établissement d'un diagramme de phase. Voir par exemple la figure IV-1. Notons que dans le cas présenté il est plus commode de prendre comme constituant les deux oxydes plutôt que de travailler sur un diagramme ternaire Si, Al, O. H. Schyns 3.1 Céramiques 3.3. 3 - Microstructure des céramiques La microstructure des céramiques Les céramiques cristallines forment des microstructures poly cristallines, similaires à celles des alliages métalliques (Fig. VI-1). La structure des joints de grains est plus complexe dans les céramiques que dans les métaux, car les interactions électrostatiques apportent des contraintes d'équilibre supplémentaires (les ions de même signe ne doivent pas se toucher). En conséquence une fraction de porosité de l'ordre de 20vol% est fréquemment rencontrée dans les céramiques. Ces pores vont affaiblir le matériau en entraînant des concentrations de contraintes à leur voisinages. La présence de micro fissure, plus difficilement décelable est aussi très néfaste au matériau. Ces micro fissures résultent du procédé de fabrication ou de la différence de coefficient de dilatation. H. Schyns 3.2 Céramiques 4. 4 - Matières premières Matières premières 4.1. Céramiques traditionnelles : Les plus communément utilisées sont les argiles (kaolinite, illite, montmorillonite…) qui permettent d’obtenir des pièces crues de bonne tenue mécanique (plasticité). La structure en feuillets des minéraux argileux est constituée d’une couche tétraédrique de type Si2O52- d’une couche octaédrique alumineuse ou magnésienne (par exemple Al2OH42-, et, selon le type d’argile, d’une seconde couche de type Si 2O52-. En fonction de leur mise en forme et de la cuisson, il est possible de distinguer trois familles d’argiles : plastiques grésantes, réfractaires, plastiques réfractaires. Pour faciliter la densification on peut ajouter des feldspaths (silicoaluminates de sodium, potassium ou calcium) qui jouent le rôle de dégraissants (favorisent le séchage tout en limitant la déformation) et de fondants. Parmi les autres matières premières naturelles on peut citer : le sable, les carbonates alcalinoterreux (calcaire, craie, dolomie), le talc (fondant), l’andalousite (réfractaire). 4.2. Céramiques techniques : • Parmi les méthodes dites “physiques”, la pyrolyse laser est une méthode de choix pour la préparation de poudres nanométriques. Les particules obtenues, inférieures à 100 nm, ont des surfaces spécifiques atteignant plusieurs centaines de m2/g. Cette technique repose sur la décomposition d’un précurseur gazeux ou liquide par son interaction avec un faisceau laser. La stoechiométrie (composition) des poudres est contrôlée par la composition initiale du précurseur, la taille et la cristallinité dépendant du temps de résidence des grains dans la zone de synthèse et de la température (1000 à 2000 °C). Parmi les matériaux synthétisés par cette méthode citons : - 4.3. Oxydes de Si, Ti, Zr, Al, La, Y Non-oxydes à base Si :C, C/N, C/N/Al, C/N/Al/Y, B, C/B… Non-oxydes autres : CN, BN, B4C, TiB2, ZrB2, TiC, ZrC, WC… Les synthèses chimiques : Traditionnellement, les oxydes et surtout les oxydes polycationiques pour applications céramiques étaient synthétisés par des réactions chimiques “à l’état solide”. Par exemple, les ferrites pour applications magnétiques étaient élaborés selon des réactions entre oxydes solides du type : MO + Fe2O3 MFe2O4 (air à t > 1000 °C) Au cours des trente dernières années, de grands efforts ont été réalisés par les chimistes pour élaborer des poudres d’oxydes divers en maîtrisant simultanément les compositions chimiques, les structures cristallines, les qualités de surface des grains et les distributions granulométriques, de plus en plus étroites et déplacées vers les tailles nanométriques. Pour ce faire, ils ont adapté des démarches qui sont celles des synthèses organiques ou organométalliques ; cela a conduit à ce que l’on dénomme aujourd’hui “chimie douce”. H. Schyns 4.1 Céramiques 4 - Matières premières Dans le “procédé sol-gel”, par exemple, on combine intimement, à l’échelle atomique et à température ambiante, des éléments métalliques dans une solution colloïdale aqueuse ou alcoolique, le sol, qui, par hydrolyse et polymérisation, conduira au gel. Le gel sera ensuite traité pour éliminer de l’eau et des produits organiques puis chauffé si une cristallisation est souhaitée. Outre la préparation de poudres à morphologie contrôlée, ce procédé présente l’avantage de combiner synthèse et mise en forme d’oxydes pour obtenir des couches minces ou des fibres. Pour améliorer les qualités cristallines des poudres et les vitesses des réactions, de nombreuses synthèses issues de la chimie douce, y compris industrielles, sont effectuées aujourd’hui en conditions hydrothermales et même supercritiques dans l’eau, l’alcool, l’ammoniac… 4.4. Alumina Ceramics Structure de Sodium beta-Alumina Alumina ceramic is the most widely used material out of a variety of fine ceramics, is also featured with the same crystal structure as sapphire and ruby after sintering process(a-Al2O3). This material is applied to widely diversified industrial field for its superb material characteristics such as high electrical insulation, high mechanical strength, high wear and chemical resistance. Alumina or aluminum-oxide is a popular, relatively inexpensive ceramic material with high hardness. Alumina has poor thermal shock resistance in comparison to silicon carbide, a green or black ceramic material that is used to prevent oxidation at very high temperatures in non-reducing atmospheres. 4.5. Silicon Nitride Silicon nitride (Si3N4) exceeds other materials in thermal shock resistance. This material does not deteriorate at high temperature, therefore it's appropriate for automotive engine and parts for gas turbine, including turbocharger rotor, glow plug of diesel engine and hot plug. It is expected that the field range this material can be applied to will widely expand. H. Schyns 4.2 Céramiques 4.6. 4 - Matières premières Silicon Carbide Silicon carbide maintains its high mechanical strength up to as high temperature as 1,400C. Typical application is part for mechanical seal ring and pump due to higher chemical corrosion resistance than other ceramics. 4.7. Zirconia Ceramics Zirconia ceramic has high mechanical strength and toughness at room temperature out of a series of engineering fine ceramics. Zirconia was the first material adopted to fine ceramic scissors or knife application. Its excellent surface smoothness has brought this material into parts for pump products. Zirconia or zirconium oxide is more expensive than alumina, but is better suited for applications that require improved fracture-toughness and stiffness. Zirconia is extremely refractory and often contains additions of calcia, magnesia or yttria for the formation of cubic structures that minimize cracking and weakening during heating and cooling. 4.8. Carbone Carbon is a non-metallic element with an extremely high sublimation temperature and a wide variety of crystalline structures. 4.9. Bore Boron fibers are available as monofilaments and used to provide structural reinforcement. Fused silica and quartz are common materials for ceramic insulation and textiles. Some products include mineral wools such as slag wool, glass wool, or rock wool. Other products contain metal fiber additions. H. Schyns 4.3 Céramiques 5. 5 - Procédés de fabrication Procédés de fabrication 5.1. Schéma de principe 5.2. Manufacture Industrial ceramics are produced from powders that have been tightly squeezed and then heated to high temperatures. Traditional ceramics, such as porcelain, tiles, and pottery, are formed from powders made from minerals such as clay, talc, silica, and feldspar. Most industrial ceramics, however, are formed from highly pure powders of specialty chemicals such as silicon carbide, alumina, and barium titanate. The minerals used to make ceramics are dug from the earth and are then crushed and ground into fine powder. Manufacturers often purify this powder by mixing it in solution and allowing a chemical precipitate (a uniform solid that forms within a solution) to form. The precipitate is then separated from the solution, and the powder is heated to drive off impurities, including water. The result is typically a highly pure powder with particle sizes of about 1 micrometer (a micrometer is 0.000001 meter, or 0.00004 in). 5.3. MISE EN FORME DES CÉRAMIQUES En raison de leurs propriétés (température de fusion élevée, dureté élevée, absence de ductilité aux basses températures, fragilité, faible ténacité), les objets céramiques sont généralement obtenus par consolidation à haute température (frittage) d’une H. Schyns 5.1 Céramiques 5 - Procédés de fabrication structure granulaire (pièce crue ou pièce verte) élaborée en mettant en œuvre un procédé de mise en forme. Les procédés de mise en forme les plus utilisés sont le coulage, le pressage, l’injection, l’extrusion. Il convient d’y ajouter les méthodes de dépôts (phase vapeur, projection plasma…). Les liquides et auxiliaires organiques mis en œuvre lors de ces étapes sont éliminés (séchage, déliantage) avant le frittage. Coulage : • Coulage en moule poreux : méthode la plus conventionnelle ; la migration capillaire du liquide dans la porosité du moule conduit à la formation d’une couche consolidée à la surface du moule. • Coulage sous pression :la pression permet d’accélérer la migration dans le moule poreux. • Coulage en bande : consiste à déposer sur un support une suspension contenant des auxiliaires organiques tels que liants et des plastifiants. L’évaporation du solvant conduit à une bande manipulable qui sera décollée du support. Le coulage en bande permet d’obtenir des feuilles céramiques de faible épaisseur (25 à 1000 µm) et de grande surface.. • Coulage-coagulation : cette méthode consiste à coaguler une suspension, coulée dans un moule non poreux, en la déstabilisant in situ pour conduire à une pièce crue de cohésion suffisante pour permettre son démoulage. • Coulage-gélification : un monomère organique est ajouté lors de la préparation de la suspension. L’élévation de température du moule ou l’addition d’un initiateur dans le milieu, juste avant de procéder au coulage, permet la polymérisation du monomère et la consolidation de la pièce crue. Pressage : compaction d’une poudre sous l’effet d’une pression appliquée. Il permet l’élaboration de pièces avec de faibles tolérances dimensionnelles en utilisant des granules sphériques de diamètre de 50 µm ou plus. Cette méthode s’applique également aux poudres métalliques. • Pressage uniaxial :la compaction des granules est effectuée dans un moule cylindrique (métallique, céramique, graphite) avec un (simple effet) ou deux (double effet) pistons presseurs. • Pressage isostatique :un moule déformable (silicone, polyuréthanne), ayant la forme de la pièce à réaliser, est rempli avec les granules. La pression, de l’ordre de 150-200 MPa, est appliquée sur cette enveloppe flexible par l’intermédiaire d’un fluide, généralement de l’huile. Le pressage isostatique est employé pour la réalisation de pièces présentant une direction allongée (tubes) et de pièces de formes complexes et/ou de volumes importants (bougies d’allumage, buses réfractaires de coulée de métaux…). • Pressage semi-isostatique : le pressage semi-isostatique est une combinaison du pressage uniaxial et du pressage isostatique. Il est utilisé pour la réalisation de pièces plates comme les assiettes. Un poinçon métallique applique une pression uniaxiale sur la surface la plus simple de la pièce (creux de l’assiette) et une membrane flexible applique, à l’aide d’un fluide, une pression isostatique sur l’autre surface de forme plus complexe. L’extrusion consiste à forcer le mélange plastique à travers une filière à l’aide d’un piston ou d’une vis (isolateurs, supports de catalyseurs). L’injection consiste à H. Schyns 5.2 Céramiques 5 - Procédés de fabrication forcer le mélange plastique dans la cavité d’un moule de la même façon que l’injection des matières plastiques (pièces précises de petite dimension, buses). Dépôts sous vide d’une couche céramique, de quelques nm à quelques mm, sur un substrat métallique céramique ou organique pour modifier des propriétés de surface (frottement, optique, corrosion…) • C.V.D. (Chemical Vapor Deposition) : consiste à réaliser une couche, sur un substrat chauffé, par réaction chimique à partir d’espèces réactives en phase gazeuse. • P.V.D. (Physical Vapor Deposition) :consiste en l’évaporation ou la pulvérisation de matériaux. Dans le premier cas, le matériau à déposer est évaporé par chauffage, par bombardement électronique, par arc électrique ou par faisceau laser. Les espèces évaporées vont se condenser sur la surface du substrat. La pulvérisation consiste à éjecter des atomes d’une cible du matériau à déposer par impact d’atomes ionisés d’un gaz, en général l’argon, puis à transférer ces atomes sur le substrat par un champ électrique. Dépôts par projection thermique : des gouttelettes d’un matériau fondu, tel que ZrO2 ou Al2O3, généralement à l’aide d’un plasma thermique produit par arc électrique, sont projetées sur le substrat (dépôts de quelques dizaines de µm à quelques mm pour barrière thermique ou antiusure…) Les particules du matériau à déposer sont injectées soit en externe de la tuyère anode pour les métaux, soit interne pour les céramiques, mais toujours en aval du pied d'arc. Elles sont ensuite chauffées, fondues et accélérées dans le plasma. Elles s'écrasent sur le substrat sous forme de lamelles (ou splats) dont l'empilement crée le dépôt. What is the diffrence between fine ceramics and ceramics? Ceramics are so-called earthen wares and porcelains, such as cups, vases, and glasses. The raw material is consisted of mixing natural minerals of rocks and clays, shaping, then firing them inside of kilns. Compared to that, fine ceramics are made by milling down raw materials into small particles, removing all of impurities, then added with binders,and made by using a well-controlled method of forming, sintering and processing. used in many industrial fields. 5.4. Molding After purification, small amounts of wax are often added to bind the ceramic powder and make it more workable. Plastics may also be added to the powder to give the desired pliability and softness. The powder can then be shaped into different objects H. Schyns 5.3 Céramiques 5 - Procédés de fabrication by various molding processes. These molding processes include slip casting, pressure casting, injection molding, and extrusion. After the ceramic is molded, it is heated in a process known as densification to make the material stronger and more dense. 5.4.1. Slip Casting Slip casting is a molding process used to form hollow ceramic objects. The ceramic powder is poured into a mold that has porous walls, and then the mold is filled with water. The capillary action (forces created by surface tension and by wetting the sides of a tube) of the porous walls drains water through the powder and the mold, leaving a solid layer of ceramic inside. 5.4.2. Pressure Casting In pressure casting, ceramic powder is poured into a mold, and pressure is then applied to the powder. The pressure condenses the powder into a solid layer of ceramic that is shaped to the inside of the mold. 5.4.3. Injection Molding Injection molding is used to make small, intricate objects. This method uses a piston to force the ceramic powder through a heated tube into a mold, where the powder cools, hardening to the shape of the mold. When the object has solidified, the mold is opened and the ceramic piece is removed. 5.4.4. Extrusion Extrusion is a continuous process in which ceramic powder is heated in a long barrel. A rotating screw then forces the heated material through an opening of the desired shape. As the continuous form emerges from the die opening, the form cools, solidifies, and is cut to the desired length. Extrusion is used to make products such as ceramic pipe, tiles, and brick. 5.5. Céramiques : La température de fusion des céramiques (de l'ordre de 1200°C) empêche toute mise en œuvre par coulée ou moulage. La fragilité des céramiques (pas de déformation plastique) rend impossible les méthodes de laminage ou de forgeage utilisée en métallurgie. La plupart des céramiques sont mises en œuvre à partir de poudres qui sont pressées à température et haute pression pour obtenir la forme de la pièce = frittage. 5.6. Céramiques vitrifiées : Les céramiques vitrifiées constituent un cas particulier, l'argile étant hydrophobe, c'est-à-dire que l'eau se fixe entre les particules feuillets d'argile, les rendant plastique. On peut alors les mettre en forme par de nombreux moyens avant de les sécher puis de cuire les pièces préformées. On utilise des poudres de granulométrie très faible (~1µm) qui génère une surface spécifique très grande. Lorsque la poudre est compactée et portée à haute température (~ 2/3 de Tf) les phénomènes de diffusion sont favorisés et les particules se soudent entre elles, provoquant une densification de la poudre. La densification complète est rarement atteinte, des porosités résiduelles restent piégées au niveau des joints. H. Schyns 5.4 Céramiques 5 - Procédés de fabrication Le frittage des poudres est une méthode qui n'est pas utilisée que pour les céramiques, mais aussi pour les métaux et les polymères. Dans le cas des céramiques la poudre est d'abord compactée, ce qui lui donne sa forme initiale. On obtient un comprimé brut qui présente juste la cohésion suffisante pour être manipulé et transféré dans le four de frittage. Le mécanisme de frittage nécessite une diffusion des particules vers les pores pour en causer la fermeture. 5.7. Le frittage Le frittage peut être défini comme l'ensemble des transformations qui conduisent, par traitement thermique et sans fusion totale du matériau, d’un assemblage de grains disjoints (la pièce crue) à une pièce consolidée (la pièce frittée). Les soudures qui se sont opérées entre les grains peuvent être accompagnées ou non d'une densification et (ou) d'une croissance des grains. On peut ainsi avoir : • consolidation sans densification (réalisation de filtres céramiques) • densification seule (recherchée pour l'obtention des microstructures très fines) • densification associée à de la croissance (situation la plus fréquente). Si aucune phase liquide n’apparaît, le frittage est dit “en phase solide” avec deux cas : • frittage non réactif : un constituant chimique au départ, une pièce composée du même constituant à la fin • frittage réactif : la densification est accompagnée d’une ou de plusieurs réactions chimiques entre les constituants. Si une phase liquide apparaît, le frittage est dit “en phase liquide” : la phase liquide (minoritaire pour conserver la tenue mécanique de la pièce) peut provenir de la simple fusion d’un deuxième constituant présent (ajout de frittage ou impureté) ou d’une réaction eutectique entre différents constituants. Selon qu'une contrainte mécanique externe est appliquée ou non, on distingue le frittage naturel et le frittage sous charge. 5.8. Densification The process of densification uses intense heat to condense a ceramic object into a strong, dense product. After being molded, the ceramic object is heated in an electric furnace to temperatures between 1000° and 1700° C (1832° and 3092° F). As the ceramic heats, the powder particles coalesce, much as water droplets join at room temperature. As the ceramic particles merge, the object becomes increasingly dense, shrinking by up to 20 percent of its original size . The goal of this heating process is to maximize the ceramic’s strength by obtaining an internal structure that is compact and extremely dense. 5.9. DENSITÉ ET POROSITÉ : Le schéma présente un objet céramique formé de grains (orangé)plus ou moins jointifs, avec une porosité ouverte (pores débouchant sur l'extérieur de la pièce en vert pâle) et une porosité fermée (pores fermés en grisé). H. Schyns 5.5 Céramiques 5 - Procédés de fabrication La porosité Pr (en %) se définit comme le rapport entre le volume des pores (Vp) et le volume total de la pièce (Vt). Le volume de matière (Vm) (grains) peut être déterminé à partir de la masse m, et de la masse volumique du solide. On a donc (Vm = Vt - Vp) Expérimentalement on accède au volume de la porosité ouverte (Vpo) en faisant pénétrer un gaz ou du mercure dans les pores ouverts. On en déduit le volume de la porosité fermée (Vpf) : Vpf = Vp - Vpo La densité relative, dr qui s'exprime en %, est le rapport entre la masse volumique apparente de l'objet (m/ Vt) et la masse volumique théorique (m/ Vm). On a donc : dr = 1 - Pr Expérimentalement on peut suivre le frittage par dilatométrie. On repère ainsi les diverses étapes qui entraînent une variation dimensionnelle de l'éprouvette crue : réorganisation puis soudure des grains, densification par élimination des porosités ouvertes puis fermées pour aboutir à l'objet fritté. H. Schyns 5.6 Céramiques 6. 6 - Propriétés des céramiques Propriétés des céramiques 6.1. Généralités À haute température, ils présentent une résistance mécanique qui peut être supérieure à celle des métaux et alliages usuels, une bonne résistance au fluage et à l’oxydation (surtout Si3N4). Du point de vue des caractéristiques thermiques, ils ont un très faible coefficient de dilatation thermique (surtout SiC) et une conductivité thermique plus ou moins élevée selon le type de matériau (celle d’AlN est élevée). Les propriétés dépendent des modes d’élaboration qui contrôlent taille de grains, porosité, caractéristiques des joints de grain et pour lesquelles le tableau page précédente donne quelques ordres de grandeurs. Ceramics are more resistant to corrosion than plastics and metals are. Ceramics generally do not react with most liquids, gases, alkalies, and acids. Most ceramics have very high melting points, and certain ceramics can be used up to temperatures approaching their melting points. Ceramics also remain stable over long time periods. 6.2. Propriétés mécaniques Les avantages des céramiques sont : - Résistance à la corrosion Résistance à l'usure Résistance à l'endommagement Résistance à la dégradation thermique Résistance chimique Résistance en compression Isolation thermique & électrique Les céramiques présentent, comme les métaux, un module d'Young bien défini, c'est-à-dire que le module reste constant pendant l'application d'une charge (contrairement au polymère dont l'élasticité n'est pas linéaire). De plus les liaisons ioniques et les liaisons covalentes sont très cohésives : Ecéramiques > Emétaux > Epolymères En outre, les céramiques sont constituées d'atomes légers (C, O, Si, Al) et présente une structure cristalline souvent non compacte : ρmétaux > ρcéramiques > ρpolymères Le module spécifique des céramiques est donc très favorable : (Ε/ρ)céramiques >> (Ε/ρ)métaux Cette propriété fait que les céramiques constituent un matériau de choix comme charge renforçante dans les composites. H. Schyns 6.1 Céramiques 6 - Propriétés des céramiques E [Gpa] ρ [SD] E/ρ [Gpa] Aciers 210 1.8 27 Alliages Aluminium 70 2.7 26 Alumine 390 3.9 100 Silice 69 2.6 27 Ciment 45 2.4 19 Matériau 6.3. Dureté Les céramiques présentent la plus grande dureté de tous les matériaux. Elles sont utilisées comme abrasifs pour couper, meuler ou polir tous les matériaux, y compris le verre. Ηcéramiques > Ηalliages métalliques > Ηmétaux purs >> Ηpolymères Céramiques H/E Alliages Diamant 1.5 10-1 Alumine 4 10-2 Dural (1) Zircone 6 10-2 Acier Inox SiC 6 10-2 Moyenne 8 10-2 H/E Laiton Métaux purs H/E 9 10-3 Cu 1.2 10-3 1.5 10-2 Al 1.5 10-3 6 10-3 Ni 9 10-4 Acier C 1.5 10-2 Fe 9 10-4 Moyenne 1. 10-2 Moyenne 1.5 10-3 Dans la conception des pièces céramiques il n'est jamais nécessaire d'envisager la défaillance par plastification de la pièce car la rupture brutale = fragile = dans la zone linéaire d'un essai de traction; intervient toujours. 6.4. Résistance à la rupture des céramiques C'est la plasticité en tête de fissure qui confère aux métaux leur ténacité élevée. Le fait que les céramiques contiennent toujours des fissures et des porosités diminue largement leur ténacité; elle atteint seulement 2% de celle des métaux. La résistance mécanique en traction dépend de la ténacité et de la longueur des plus grandes fissures. La résistance en traction décroît lorsque la longueur de la plus grande fissure augmente. Dans le cas des céramiques, la taille caractéristique d'une fissure conduisant à une rupture sont très faibles, de l'ordre de la taille des grains d'un matériau fritté. Il existe alors deux manières d'améliorer la résistance mécanique des céramiques : - 6.5. diminuer la longueur de la plus grande fissure par un contrôle de la granulométrie des poudres et des méthodes de mise en œuvre. augmenter la tenacité à l'aide de composites ou d'alliage, comme en incorporant de la paille hachée dans les briques ou de la fibre de verre dans le ciment. Résistance aux chocs thermiques Les céramiques (contrairement aux verres) présentent généralement une bonne résistance aux chocs thermiques. Procédés de fabrication 1 Alliage à 4% d'Aluminium dans une matrice de Cuivre H. Schyns 6.2 Céramiques 6 - Propriétés des céramiques Afin de quantifier la résistance aux chocs thermiques des matériaux, on laisse tomber des échantillons chauffés à des températures croissantes dans de l'eau. L'écart maximum de température (en K) auquel survivent les échantillons sans se rompre donne une valeur de résistance aux chocs thermiques. Si le coefficient de dilation thermique de l'échantillon est α, la couche superficielle brutalement refroidie subie une contraction de α.∆T Cette couche fait cependant partie d'un solide plus volumineux, encore chaud, est doit donc supporter une contrainte de E.α.∆T Si cette contrainte est supérieure à la résistance mécanique Rmt, la surface de la pièce se fissure et finalement s'écaille. La variation de température maximum que peut supporter l'échantillon est donc donnée en première approximation par : ∆T = Rmt / Eα H. Schyns 6.3 Céramiques 7. 7 - Usages Usages Les céramiques oxydes sont aussi très utilisées pour l’électronique et l’électrotechnique du fait de la grande diversité de leurs propriétés électriques (les céramiques pour l’électronique représentent 70 % du marché mondial des céramiques techniques) : Fonctions Propriétés Composés Usages Electrique diélectriques Al2O3, BeO, MgO Substrats ferroélectriques BaTiO3, SrTiO3 Condensateurs piézoélectriques Pb(Zr,Ti)O3 Capteurs, action. semi-conducteurs NiO, CoO, Cu2O Thermistances CTN BaTiO3 dopé Thermistances CTP ZnO-Bi2O3, SiC Varistances TiO2, SnO2, SiC Electrodes ZrO2, LaCrO3 Conversion MHD supraconducteurs YBa2Cu3O7 Trains, ordinateurs conducteurs ions Al2O3 bêta Batterie ZrO2 dopée Y ou Ca Sonde O2, piles Mn, Zn(Fe2O4) Mémoires Ni, Zn(Fe2O4) Inductances H.F. grenats Y3Fe5O12 Radars, satellites ferrites durs BaO-6Fe2O3 Aimants semi-conducteurs CdS-Cu2S Cellules photovolt. piézoélectriques (Pb,La)(Zr,Ti)O3 Electro-optiques luminescents Zn2SiO4 Ecrans TV, lasers Magnétique Optique 7.1. ferrite doux Céramiques dans l’automobile Les céramiques employées dans l’automobile ne le sont que sur des prototypes. Cette utilisation se réduit à des composants du moteur. Leurs buts sont d’améliorer l’isolation thermique, la résistance à l’usure par frottement, d’alléger les pièces en mouvement. L’isolation thermique est l’un des points forts des céramiques, ainsi la préchambre de combustion (moteur diesel), la tête de piston et les soupapes d’échappement sont revêtues d’écrans thermiques en céramique. Pour améliorer le rendement du turbocompresseur, certains fabricants ont envisagé la conception du conduit d’échappement ainsi que la turbine en céramique. On utilise pour ces applications des inserts en zircone (ZrO2) et de titanate d’aluminium (Al2TiO5). La résistance à l’usure par frottement est une des propriétés remarquables des céramiques. Ainsi les culbuteurs, les guides et les sièges de soupapes sont en céramique (association de zircone et de nitrure de silicium (Si3N4)). Par souci d'allégement des masses en mouvement, on peut utiliser du nitrure de silicium pour les axes des pistons, les soupapes... Reste le problème de la tenue aux chocs, dans les pays où les habitudes de conduite sont assez nerveuses. Plus généralement en construction mécanique, on rencontre les céramiques dans les applications à très hautes vitesses de rotation (broches de machines outils, H. Schyns 7.1 Céramiques 7 - Usages moteurs à turbines...). Des billes, voire des cages de roulements en céramique permettent d’augmenter les vitesses maximales d’utilisation. 7.2. Céramiques pour les outils de coupe Dans le cas des outils de coupe, on utilise principalement les propriétés de dureté et de tenue à haute température. Ainsi l’usinage des fontes, des aciers et des superalliages à base de nickel et de cobalt peuvent être exécutés avec des plaquettes en céramique. Pour les premiers, on utilisera l’alumine (Al2O3), pour les seconds le nitrure de silicium. Le taux d’enlèvement est nettement amélioré (2 à 5 fois par rapport aux plaquettes carbures) même si le volume enlevé reste du même ordre. Le tournage continu est résolu par l’utilisation des céramiques mais le fraisage pose le problème des chocs. 7.3. Céramiques en biomécanique La chirurgie et l’art dentaire font de plus en plus appel aux nouveaux matériaux pour une bonne bio-compatibilité, une bonne tenue à la fatigue et une résistance élevée à la corrosion. Les céramiques utilisées comme remplacement des tissus durs (os, dents) peuvent être classés en trois groupes selon leur réaction avec le milieu physiologique : – – – les céramiques inertes ou biodégradables (alumine), les céramiques bioactives (bioverres...) qui permettent une liaison entre le tissu et l’implant, les céramiques biorésorbables (phosphate de calcium) qui permettent la repousse des tissus. Prothèse totale de hanche en alumine 7.4. Céramiques dans le nucléaire Dans le nucléaire, les céramiques sont utilisées comme combustible : céramiques à base d’uranium, produits remplaçant l’uranium métallique pour les réacteurs à haute puissance. On les utilise aussi comme barre de contrôle. Matériau très absorbant neutronique, il sert à contrôler la réaction de fission nucléaire. Les céramiques servent globalement à la protection thermique et neutronique. H. Schyns 7.2 Céramiques 8. 8 - Liants minéraux Liants minéraux Le ciment est ce qu’on appelle un liant hydraulique : cette poudre minérale gâchée avec l’eau forme une pâte qui fait prise et durcit ; elle conserve sa stabilité et sa résistance mécanique, même sous l’eau. Le béton est un matériau granulaire constitué de granulats (sables, graves…), d’un liant, le ciment, et d’eau. Les constituants du ciment, en réagissant dans l’eau, produisent des phases hydratées qui assurent la cohésion du squelette granulaire. C’est actuellement le matériau le plus utilisé au monde pour la construction à toute échelle. Historique : au début du XIXe siècle, Louis Vicat (1786–1861) mène des travaux autour des phénomènes d’hydraulicité du mélange «chaux-cendres volcaniques», liant déjà connu des Romains et développe un ciment obtenu par cuisson de calcaire d’argile. En affinant la composition du ciment mis au point par Louis Vicat, l’Ecossais Joseph Aspdin (1778-1855) breveta en 1824 un ciment qu’il nomma ciment Portland, du fait de sa similitude avec la roche que l’on peut trouver dans la région du même nom dans le sud de l’Angleterre. Ces découvertes préparèrent l’avènement du béton dont le plein essor eut lieu au XXe siècle. Le ciment Portland résulte de la cuisson à 1450 °C de calcaire (~80 %) et d’argiles (~20 %). Le produit obtenu, le clinker, constitué principalement de silicates et d’aluminates de calcium est ensuite broyé avec du sulfate de calcium et éventuellement d’autres constituants secondaires, pour donner le ciment. Hydratation : lorsque le ciment est mélangé à l’eau (gâchage) chacune des phases se dissout, conduisant à l’établissement d’une solution sursaturée par rapport à différents hydrates qui vont alors précipiter. Les produits d’hydratation des silicates calciques sont l’hydroxyde de calcium et l’hydrosilicate de calcium noté C-S-H (C pour CaO, S pour SiO2 et H pour H2O en notation usuelle de la chimie des ciments). Les phases aluminates présentent une grande réactivité dans l'eau entraînant un raidissement rapide de la pâte et des résistances mécaniques faibles, liés à la précipitation d’hydroaluminates de calcium. Pour éviter ce phénomène de prise rapide on ajoute du sulfate de calcium au clinker pour faire le ciment. Cet ajout permet d’éviter la formation d’hydroaluminates de calcium en favorisant la précipitation d’un trisulfoaluminate de calcium (Ettringite) moins soluble, puis de monosulfoaluminate de calcium. Prise et durcissement : l’hydratation du ciment entraîne une évolution mécanique du matériau que l’on nomme prise et durcissement. Dès que le liant est mélangé à l’eau, des interactions attractives se manifestent entre les grains anhydres lorsqu’ils se rencontrent et les maintiennent en contact ce qui conduit à la formation d’une structure connexe. Cette structure peut facilement être détruite par une sollicitation mécanique, mais se reconstruit dès l’arrêt de celle-ci. C’est la période d’ouvrabilité. En revanche, dès que le processus de dissolution-précipitation s’accélère, les hydrates qui précipitent renforcent cette structure. C’est la prise et le durcissement. La cohésion du ciment est due à des forces d’origine physique à courte portée qui existent entre les particules nanométriques d’hydrosilicate de calcium (C-S-H). Au fur et à mesure que les phases silicatées s’hydratent, le nombre de nanoparticules de C-S-H augmente, les surfaces en contact augmentent et ainsi la pâte de ciment acquiert sa résistance mécanique. Propriétés du béton durci : le béton est consolidé par la pâte de ciment qui s’hydrate. H. Schyns 8.1 Céramiques 8 - Liants minéraux La résistance mécanique du béton dépend essentiellement de la porosité du matériau composite obtenu. On comprend aisément que les quantités d’eau, de granulats et de ciment employées ainsi que la distribution granulométrique des granulats utilisés vont fixer la porosité du béton. De plus, le volume molaire des hydrates formés lors de l’hydratation du ciment étant plus grand que le volume molaire des phases anhydres, l’hydratation du ciment permet de combler partiellement la porosité. Si le béton possède de bonnes propriétés en compression, du fait de la courte portée des forces assurant sa cohésion, sa résistance à la traction est très mauvaise. C’est la raison pour laquelle le béton est renforcé par des armatures en acier (béton armé). Ces armatures peuvent être remplacées dans certains bétons de hautes performances par des fibres. Plus récemment, les performances du béton ont été accrues par l’utilisation, d’additifs organiques. Ils permettent notamment de réduire la quantité d’eau et donc d’améliorer les propriétés mécaniques finales tout en gardant la maniabilité lors de la mise en œuvre (béton haute performance), ou d’augmenter la fluidité initiale (béton auto-plaçant) sans avoir à ajouter davantage d’eau. L’enjeu principal actuel de l’industrie du ciment est de diminuer la quantité de dioxyde de carbone émise dans l’atmosphère liée à la décarbonatation du calcaire lors de sa fabrication. Différentes voies sont explorées dont la principale est le remplacement dans le ciment d’une partie du clinker par des matériaux cimentaires secondaires provenant du recyclage de sous-produits industriels comme les laitiers de haut fourneau. La structure connexe formée par les grains de ciment recouverts par des C-S-H est bien mise en évidence sur cette image de microscopie électronique à balayage. L’encart circulaire montre à une échelle submicronique, obtenue par microscopie à force atomique, l’assemblage des particules de C-S-H qui renforce cette structure. La tradition française dans le domaine du ciment et du béton remonte au début du XIXe siècle quand un ingénieur, Louis Vicat, entreprend des recherches systématiques sur les gisements argilo-calcaires et démontre en 1817 que les propriétés de prise hydraulique se déduisent de la proportion adéquate de calcaire et d’argile cuits ensemble (cette qualité ne sera formalisée qu’à la fin du XIXe siècle par Henry Le Chatelier). H. Schyns 8.2 Céramiques 8 - Liants minéraux 4. Burning and cooling: As the material moves through the kiln, certain elements are driven off in the form of gases. The remaining elements unite to form a new substance with new physical and chemical characteristics. The new substance, called clinker, is formed in pieces about the size of marbles. Clinker is discharged red-hot from the lower end of the kiln and generally is brought down to handling temperature in various types of coolers. The heated air from the coolers is returned to the kilns, a process that saves fuel and increases burning efficiency. 5. Cement milling, Storage & Packing: Portland cement, the basic ingredient of concrete, is a closely controlled chemical combination of calcium, silicon, aluminum, iron and small amounts of other ingredients to which gypsum is added in the final grinding process to regulate the setting time of the concrete. Lime and silica make up about 85% of the mass. Common among the materials used in its manufacture are limestone, shells, and chalk or marl combined with shale, clay, slate or blast furnace slag, silica sand, and iron ore. The above mixture (encore une autre) Cement production involves raw materials being dried, ground, proportioned and homogenized before being transferred to rotary kilns to be burned. The resulting material, known as clinker, is pulverized with gypsum at the cement grinding mill to make OPC or mixed with other additives to make other types of cement. On average, approximately 960kg of clinker is used to make one ton of OPC. The main raw materials used in cement production are limestone, silica sand, clay, iron sand and gypsum. Limestone, clay and silica sand are quarried by drilling and blasting and then brought to the crushing plants located adjacent to the quarries. Crushed limestone, clay and silica sand are then delivered by means of conveyor belt system or by truck. In wet-process system, raw materials are ground wet and fed to the kiln in slurry form, which results in relatively high rates of heat consumption. In dry-process system, raw materials are ground dry and fed to the kiln in powder form. Given this advantage, dry-process kilns have been used by modern cement producers. Indocement uses the dry-process kilns, which consume less heat and are more efficient than wet-process kilns. H. Schyns 8.7 Céramiques 8 - Liants minéraux The following diagram shows the production of dry-process cement: Drying and Raw Grinding Raw materials are dried in rotary dryers using waste heat from the kiln . The moisture content is greatly reduced to improve quality control and handling. The dried materials are mixed and fed to raw grinding mills to produce "raw meal". During the process of grinding, samples are tested half-hourly through X-ray analyzers to ensure consistent raw meal quality. The blended raw meal is delivered into storage silos. Kiln Burning and Cooling Blended raw meal is transported by pneumatic conveyors to the kiln's suspension pre-heaters where it is preheated to achieve a high degree of calcination (oxidization of the calcium carbonate) before the raw meal enters the rotary kiln. In the rotary kiln, the preheated raw meal is completely calcined and finally sintered at 1,450 C to form clinker. Hot clinker from the rotary kiln is discharged onto coolers where it is quenched and cooled by fresh air from high capacity fans. The air that passes through the clinker layer is thereby heated and is subsequently used as combustion air in the kiln. Cooled clinker is delivered to clinker silos Finish Grinding From clinker silos, the cooled clinker is mixed with gypsum and fed into the grinding mill to produce cement. The finished cement is then pumped into cement silos. Packing Cement is transferred from the storage silos to the packing plant for bag and bulk loading. Bagging is done by high speed in line and rotary packing machines. Filled bags are automatically weighed, sealed and loaded onto trucks by conveyor belt. The total combined rated capacity of all Indocement's packing machines is 5,000 tons per hour. Bulk cement is loaded into special tank trucks for delivery to customers' portable silos at construction sites or is trucked to Indocement's port facilities. Quality Control The production process at each of plant is monitored by the particular plant's individual and centralized control room where computerized equipment is used to monitor the entire process from raw materials at storage to grinding of cement at the finish mill. Cement quality checks are carried out continuously. To ensure the production of consistently high quality cement, a modern system of automatic samplers, automatic X-ray analyzers and process computers perform on-line control on the proportioning of raw materials to maintain consistent chemical composition of the cement produced. H. Schyns 8.8 Céramiques 8 - Liants minéraux The characteristics of the cement making process permit the use of a wide range of by-products and waste materials as fuels and raw materials: Energy yield on valorization approaching 100% Very high temperature (>1800 C) and long residence time (> 5-6 seconds) Automatic cleaning of gases using lime, a basic ingredient of cement No waste residue; total incorporation of ash in the finished product High level of environmental performance and global reduction of CO2 emissions Cement production inherently consumes large amounts of materials and energy. However, cement companies can build on current practices to reduce the resource consumption and to increase the use of waste as fuels and raw materials. The use of alternative sources of fuel and material in cement industry arrives with numerous environmental benefits including: Reducing the use of non-renewable fossil fuels such as coal as well as the environmental impacts associated with coal mining H. Schyns 8.9 Céramiques 8 - Liants minéraux Adding value to by-product materials by providing other reuse/recycle options to waste generators Contributing towards an overall lowering of emissions such as greenhouse gases by replacing the use of fossil fuels with materials that would otherwise have to be incinerated or land filled Maximizing the recovery of energy from by-products (energy from recycled materials is used directly in the kiln for clinker production) Chemical Admixtures Chemical admixtures are the ingredients in concrete other than portland cement, water, and aggregate that are added to the mix immediately before or during mixing. Producers use admixtures primarily to reduce the cost of concrete construction; to modify the properties of hardened concrete; to ensure the quality of concrete during mixing, transporting, placing, and curing; and to overcome certain emergencies during concrete operations. Successful use of admixtures depends on the use of appropriate methods of batching and concreting. Most admixtures are supplied in ready-to-use liquid form and are added to the concrete at the plant or at the jobsite. Certain admixtures, such as pigments, expansive agents, and pumping aids are used only in extremely small amounts and are usually batched by hand from premeasured containers. The effectiveness of an admixture depends on several factors including: type and amount of cement, water content, mixing time, slump, and temperatures of the concrete and air. Sometimes, effects similar to those achieved through the addition of admixtures can be achieved by altering the concrete mixture-reducing the watercement ratio, adding additional cement, using a different type of cement, or changing the aggregate and aggregate gradation. Five Functions Admixtures are classed according to function. There are five distinct classes of chemical admixtures: air-entraining, water-reducing, retarding, accelerating, and plasticizers (superplasticizers). All other varieties of admixtures fall into the specialty category whose functions include corrosion inhibition, shrinkage reduction, alkalisilica reactivity reduction, workability enhancement, bonding, damp proofing, and coloring. Air-entraining admixtures, which are used to purposely place microscopic air bubbles into the concrete, are discussed more fully in "Air-Entrained Concrete." H. Schyns 8.10 Céramiques 8 - Liants minéraux Water-reducing admixtures usually reduce the required water content for a concrete mixture by about 5 to 10 percent. Consequently, concrete containing a waterreducing admixture needs less water to reach a required slump than untreated concrete. The treated concrete can have a lower water-cement ratio. This usually indicates that a higher strength concrete can be produced without increasing the amount of cement. Recent advancements in admixture technology have led to the development of mid-range water reducers. These admixtures reduce water content by at least 8 percent and tend to be more stable over a wider range of temperatures. Mid-range water reducers provide more consistent setting times than standard water reducers. Retarding admixtures, which slow the setting rate of concrete, are used to counteract the accelerating effect of hot weather on concrete setting. High temperatures often cause an increased rate of hardening which makes placing and finishing difficult. Retarders keep concrete workable during placement and delay the initial set of concrete. Most retarders also function as water reducers and may entrain some air in concrete. Accelerating admixtures increase the rate of early strength development, reduce the time required for proper curing and protection, and speed up the start of finishing operations. Accelerating admixtures are especially useful for modifying the properties of concrete in cold weather. Superplasticizers, also known as plasticizers or high-range water reducers (HRWR), reduce water content by 12 to 30 percent and can be added to concrete with a low-to-normal slump and water-cement ratio to make high-slump flowing concrete. Flowing concrete is a highly fluid but workable concrete that can be placed with little or no vibration or compaction. The effect of superplasticizers lasts only 30 to 60 minutes, depending on the brand and dosage rate, and is followed by a rapid loss in workability. As a result of the slump loss, superplasticizers are usually added to concrete at the jobsite. Corrosion-inhibiting admixtures fall into the specialty admixture category and are used to slow corrosion of reinforcing steel in concrete. Corrosion inhibitors can be used as a defensive strategy for concrete structures, such as marine facilities, highway bridges, and parking garages, that will be exposed to high concentrations of chloride. Other specialty admixtures include shrinkage-reducing admixtures and alkali-silica reactivity inhibitors. The shrinkage reducers are used to control drying shrinkage and minimize cracking, while ASR inhibitors control durability problems associated with alkali-silica reactivity. 8.5. Fabrication de la chaux Burnt Lime Limestone (CaCO3) is blasted and crushed at a quarry and then stockpiled at the plant. It is then fed into a rotary kiln and burnt at temperatures up to 1200 degrees C. This process removes CO2, leaving CaO (burnt lime) as the final product. The burnt lime is then passed through a crusher and graded into various sizes. At McDonald’s Lime, for example, there are three sizes, 10-25 mm, 9.5 mm all in and 3 mm all in. The final product is trucked or railed in bulk to the customer. Hydrated Lime The manufacture of hydrated lime involves the regulated addition of water to burnt lime. In this relatively simple process, burnt lime of less than 3mm is mixed with water and passed through a hydrator and a (size) classifier. The final product is delivered to the customer in either bulk or bagged form. H. Schyns 8.11 Céramiques 9. 9 - Sources Sources - - - - H. Schyns Vade-Mecum Matériaux Congrès Matériaux 2006 de Dijon du 13 au 17 novembre 2006. www.ceramic-center.com/vade-mecum.php Cinquante ans d'innovations et de réalisations en france auteur URL Cours de verres et ceramiques Lionel Flandin Ceramics Microsoft Encarta Online Encyclopedia 2007 encarta.msn.com Cement & Concrete Basica www.cement.org 9.1