Ceram i Ques

8/17/2019 Ceram i Ques

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Module M227Matériaux nonmétalliques

Crédit 1ECTSMarc François


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Partie 2/3Verres et céramiques


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1. Chimie etmicrostructure

Géode :refroidissement rapide! verrerefroidissement lent! cristal


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Généralités• Matériaux inorganiques…• Liaisons fortes (covalentes ou ioniques)• Structures :

Monocristal = cristauxPolycristal = céramiquesAmorphe continu = verres

Amorphe discontinu = céramiques vitreuses (rare)


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ExemplesMonocristal Verre Céramique Cér. vitreuse

SiO2

Al203

Quartz, améthyste,…

Rubis, saphir,topaze… Alumine Alumine vitreuse(expérimental)

Verre d’alumine(2004)


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2. Rupture statistique


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Bases• Observation (L. De Vinci) : pour un verre,

une pierre, une céramique…la contrainte limiteRe dépend du volume.

• Weibull (1951) : théorie statistique.• Un petit volume a moins de chance de

posséder de gros défauts.


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0 0.5 1 1.5 20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

• Probabilité de rupture• Probabilité de survie

Modèle de Weibull (1)

σ

σ 0

P r m=50 (métaux)m=5 (céramiques)m=10 (céramiques)

P r (V 0 ) = 1 − exp − σ

σ 0

m

63 %

exp( − 1) = 1e

0, 37 V 0σ

P s (V 0 ) = 1 − P r (V 0 )

= exp − σσ 0

m


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• Pour un volume double :• donc :

Modèle de Weibull (2)Ps=1/2

Ps=1/2 Ps=1/2

Ps=1/4

= exp − σσ 0

m

= exp − n σ

σ 0 P s (V ) = exp −

V

V 0

σ

σ 0

m

P r (V ) = 1 − exp −V

V 0

σ

σ 0

m

P s (2V 0 ) = P s (V 0 )2

P s (nV 0 = P s (V 0 n

V = nV 0

Pour un volume Vquelconque :

http://www.techno.ens-cachan.fr/


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0 1 2 3 4 50

0.2

0.4

0.6

0.8

1


• QuandV !"

P r ! 1• QuandV ! 0

P r ! 0 :bres.

P r = 1 − exp −V

V 0

σ

σ 0

m

V 0

P r

Pour m = 5

σ = 3

4σ 0

σ = 5

4σ 0

σ = σ 0


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• Identication rapide (TD)log(σ

)

P r

Exemple : deux calcaires…

http://www.techno.ens-cachan.fr/accueil.php?page=afche_ressource&id=108&page2=annexe&numannexe=3


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3. Céramiques


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Historique


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• Le nom vient dekéramos (poterie en grec)

• Plus ancien que le verre ou le métal :

• Première céramique -25.000 (Rep. Tchèque)

• Porcelaine 220 (Chine)

Céramique Jomon, -2500 (Japon)Porecelaine Ming ~1500 (Chine)


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• Céramique : terre cuite, transfo. physico-chimique

• Faïence : céramique à base d’argile

• Porcelaine : mélange de quartz, feldspath etkaolin. Cuisson à T>1300°C.

Du kaolin

Des briques de terre cuite

Du feldspath

Outil de coupe en céramique


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Fabrication


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Principe• Cristaux Al2O3, Si3N4, ZrO2…

T° de fusion > 2000°C! pas de moulage• Pas de déformations plastiques à froid,un peu à chaud• Mais processus de diffusion à chaud : le

frittage (~soudage des grains)• Auparavant : mise en forme d’un

«vert» (~sable mouillé)


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Matières premières• Extraction minière

• Broyage

• Mélange et dosage des élémentsBroyeur à marteaux (doc. Aubema)

Mine de Mullite (Kyanite Mill. Corp.)


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Procédés sanscom action• Traditionnel, artistique, formes complexes

• Coulée à froid d’unvert, puis cuisson.• Caractéristiques mécaniques faibles

Exemple : procédé d’obtention duvert dans un moule en plâtre


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Procédés aveccom action

• Céramiques techniques• Compactions uniaxiales,

triaxiales…• Moulage (après mélange

avec de l’eau ou unpolymère fusible pour

uidier)• Extrusion

Uniaxiale1 à 10 kbars

Triaxiale

P

Moule exible(polyuréthane)

Tubes encéramiqueextrudée

(Haldenwanger)


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Frittage• On chauffe à T


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Porosité

Sn02 (porosité 40%) Ti02 (porosité 3%)Domaine électronique Revêtements


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Inuence de la porosité

Couramment 20% deporosité.


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Compaction à chaud• Le frittage se fait en même temps que la

compaction, à chaud• Ex. SiC : 2000 °C

Abrasif :carborundum (meules)Céramique : ex. ltre à particules diesel (FAP)Filtre FAP

(IBIDEN DPF France) Hexoloy (Saint Gobain)Meule carborundum

(simple collage des grains)


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Céramiques biphasées

Al2O3 + Cr2O3 SiO2 + Al2O3


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Caractéristiquecommunes


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Matériaux les plus durs


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Mais fragiles…

Énergie de surface

CEA

G c = 2 γ s =K 21 c

E


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Autres propriétés• Résistance à l’usure• Résistance aux hautes températures• Faible conductivité thermique• Isolantes• Certaines sont piézoélectriques, d’autres

supraconductrices…


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Quelques céramiques


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Oxydes


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Alumine• Al2O3• Résistance 2500 MPa• Dureté 1600 Hv• Tf 2000°C

•

Isolateurs, support d’élémentschauffants,abrasifs…


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Oxyde de zirconium• ZrO2• monocristal : zircone• Tf = 2700°C• Dureté élevée 1700 Hv

• Céramiques dentaires, ltres,pièces d’usure :vannes «céramique»


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Titanate d’aluminium• Al2TiO5 et Al2O3TiO2• Résistance au choc thermique• Résistance aux métaux fondus• T


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PZT (titano-zirconatede lomb• Céramiques piézoélectriques

• Conversion tension - déformation

Haut parleur d’aigus (tweeter ) Capteur de pression Platine piézo(précision 0,1 nm)


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Autres

en poudre

• Magnésie MgOTrès résistant à latempérature :T


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Silicates


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Porcelaine

Laure SelignacTyco Electronics

• Mélange de quartz, feldspath et kaolin• Produits artistiques, arts de la table…• Isolation électrique• 450 MPa en compression, 50 en traction


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Autres• Silicate d’aluminium

(argiles) :Briques, tuiles, carreaux,éviers…

• Stéatite, talc : MgO-SiO2 • Mullite 3Al2O3.2SiO2

T


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Carbures (Cermets)


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Carbure de tungstène• WC :CerMet (métal céramique)• Tf = 2870°C• Dureté 2400 Hv• Remplace l’acier pour les outils de coupe

(progressivement depuis ~1940)• Grande résistance à l’usure• Très dense (#=15.600 kg/m3)


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Carbure de silicium• SiC, n’existe pas dans la nature• Carborundum (abrasif)• Semi-conducteur• Tf = 3000°C• Très dur : 2500 Hv• Fibres de SiC (Nicalon)


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Carbure de bore• B4C• Deuxième matériau

le plus dur : 3200 Hv• Densité 2520• Tf = 2450 °C• Buses de sableuses,

blindages militaires,outils de coupe(revêtements)


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Diamant

• C. En feuillets : graphite, cristallin : diamant.• Monocristal (synthétique ou naturel).

Matériau le plus dur. Tf = 3550°C.Le plus conducteur de la chaleur.

• PolycristalDur, mais T


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Nitrures (Cermets)


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Sialon

• nitrure de silicium, nitrure d'aluminium etoxyde d'aluminium

• grande tenue à la chaleur T>1000°C• bres• 1800 Hv

NTK Cutting tools


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Nitrure de silicium• Si3N4• Dur 1500 Hv• Résistant aux chocs• Billes de roulements céramique

Roulement acier/céramique (ssbearings)Roulement céramique

(lily-bearing)

Booster (Wikipedia)


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Nitrure de bore

• BN• Structure graphitique 400 Hv, lubriant• Structure diamant (cubique). ?? Hv, juste

sous le diamant

Saint Gobain


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4. Les verres


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Histoire

Amphores romaines du 6è sciècle

• Obsidienne : verre naturel• 3000 av. J.C.Mésopotamie

(Irak)• Verre soufé 1er siècle• Verre à vitre : romains puis

15ème

sciècle


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Composition

Verre ordinairesodo-calcique Verre boro-silicaté

70% SiO2 + 10% CaO +15%Na2O

80% SiO2+15% B2O3 +5%Na2O

Vitres, bouteilles Alimentaire ou chimique :Pyrex®

Na2O est l’agent fondant (800° au lieu de 1650°)Mais aussi Al2O3 (bres) K2O et PbO (cristal)…

Base : silice SiO2 (70% de la croûte terrestre…) et chaux CaO


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Énigmes• Le verre est un liquide solidié• La viscosité varie d’un facteur 1014 (!!)

quand on passe de TTg.• Énigmes : pourquoi ? Le verre coule-t-il ?

Phys. Rev. Letters (2003) D. Bonamy. Endommagement nanométrique ?


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Caractéristiquesmécani ues

• E$ 70 GPa•

% r

$ 3500 MPa en théorie !!! Effet devolume (Weibull) très marqué (m$ 5).• # = 2500 kg/M3

• Ténacité$ 1 MPa& m

Essai Vickers sur du Verre (LPM Nancy)


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Intérêts

• Transparence et hauts indices• Longévité• Prix• Recyclage


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Traitements• Verre trempé : surface en compression

(intérieur en tension). Insensibilité à larayure.

• Verre feuilleté : lm polymère entre deuxcouches. En cas de chocs la structureconserve son intégrité.

• Durcissement en surface (diamant…).


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Mise en forme

• En phase pâteuse ~800°C•

Soufage (traditionnel,artistique)• Moulage• Thermoformage…

Vase tulipe(Daum)


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5. Les bétons

Cristal de portlandite (ECP)


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Dénitions•

Ciment portland :Chaux CaO+Silice SiO2+Alumine Al2O3• Calcaire! chaux

Argiles! les autres• Cuisson à 1450°C! silicate de calcium

hydrauliques• Réaction avec l’eau (hydratation) : le ciment

est une colle.• Mortier : ciment + sable• Béton : ciment + sable + granulats


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Histoire• Romains : chaux et cendres

pouzzolaniques. Mortiers etbétons.

• Oubli…• L. Vicat (1817) découvre le

principe d’hydraulicité deschaux.

•

Ciment Portland 1840• Essor : 1è et 2è guerre

mondiale

Aqueduc romain d’Arcueil(fr.Structurae.de)

Premier pont en béton de L. Vicat (1853


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Production• Extraction du calcaire CaCO3

(80%) et de l’argile SiO2-Al2O3 (20%)

• Concassage• Cuisson à 1450°C et trempe

! clinker• Broyage

Un broyeur à boulets(lebeton.free.fr)


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6. Le broyage du cruLa matière première est ensuite introduite dans un broyeur pour être réduite à une poudre ou farine appelée le cru .

7. Le fourLe cru est monté à une hauteur de 100 m dans un échangeur de chaleur équipé d’un précalcinateur. Il descend ensuitedans un four de 90 m de long qui porte la matière à 1450°. Il en ressort sous forme de granules appelés clinker .

9. Le broyage du clinker En broyant du clinker (>95%) avec le régulateur de prise, on obtient des ciments Portland .

10. L’ensachageUne installation d'ensachage à chargement rapide complète ces installations.


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Données• 1 m3 de béton par an et par humain.• 100 L de pétrole par tonne.• Lafarge : leader mondial :17,6 milliards# en 2007• Performances :

% r entre 20 et 200 MPa encompression entre 3 et 50 MPa entraction# $ 2300 kg/m3


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Plaque en exion, delargeur b, longueur L,soumise à une force F,

à èche f donnée

f αF L 3

Ebh 3

h αF L 3

Ebf

1 / 3

C α C R bhL

C α C R bLF L 3

Ebf

1 / 3

C α C RE 1 / 3

Rigide pour pas cher.

CRCoût par U. de volume

Ashby & Jones


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Principales classes• Béton Prêt à l’Emploi (BPE)• Béton armé (les fers reprennent la

traction que ne supporte pas le

béton)• Béton précontraint (fers posés en

tension)• Béton bré• Béton Hautes Performances (BHP)• Béton autoplaçant (BAP)

fers en zone tendue

Livre de JP Mougin (Eyrolles)

Viaduc de Millau (BHP)


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En GMP ?• Bâtis de machines• Pièces de structure

possibles en BHPTour bâti béton

Fauteuil en BHP (O. Chabaud)Enceintes acoustiques en béton


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Bibliographiecéramiques


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http://www.cttc.fr/index.php?pg=65http://fr.wikibooks.org/wiki/Matériaux/Céramiques

http://www.nal-materials.com/http://fr.wikipedia.org/wiki/Céramique_industrielle

http://www.ceramique-technique.com/

https://www.goodfellow.com/home.aspx?LangType=1036

Internet

Bibliothèque de l’IUT

P. Bloch,Propriétés et application des céramiques.Hermès, 2001.

Documents

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