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Matériaux et industrie chimique
Cours pour S6
Licence Génie des proceeds
Département de chimie
M. SAIDI
2020/2021

Plan du cours de licence
- Principes chimiques de fabrication et stabilité des matériaux
inorganiques.
- Céramiques
- Ciments

Principes chimiques de fabrication et stabilité des matériaux
inorganiques.
- Les matériaux occupent une place primordiale dans notre entourage.
- Ils sont présents dans les différents secteurs: vêtements, logement,
transport, communications, alimentation, ....
- Leurs existence datent du début de l'humanité
- Depuis la préhistoire identifiée par l'âge de la pierre, l'âge du bronze.
- Choix judicieux des matériaux: une composition, une consistance, une
forme, une couleur... propre à leurs usage.

- L’évolution et la diversification des matériaux repose sur la maîtrise de:
le procédé de fabrication,
la structure,
les propriétés
les applications.
- La conception d’un matériau regroupe des spécialistes de toutes les
disciplines : chimie, physique, mécanique, mathématiques, ...
- Les performances des matériaux sont liées aux spécialisations qui repousse
plus loin les limites de mise en oeuvre et l’utilisation finale des matériaux.

- Élaboration des matériaux.
- La méthode céramique conventionnelle
- La préparation des matériaux solides inorganiques (oxydes, ...) s’effectue à
l’aide du procédé traditionnellement très utilisé : la méthode céramique.
- Ce procédé consiste essentiellement à mélanger dans des proportions
stœchiométriques adéquates et de la manière la plus intime possible des
composés contenant les éléments (métaux,…) qui vont rentrer dans la
composition des matériaux recherchés.
- Le mélange subi des traitements thermiques aux hautes températures.
- Une réaction chimique à l’état solide donne lieu aux produits souhaités.

Les métaux formant le produit final peuvent provenir:
- d’oxydes simples purs (MgO, ZnO, NiO, Al2
O3
, Cr2
O3
, Fe2
O3
,...),
- des sels comme les nitrates (CuNO3
,...), carbonates (Na2
CO3
, K2
CO3
,...),
hydroxydes (NaOH, Al(OH)3
,...), sulfate (Na2
SO4
,...), acetates
(CH3
COONa, Ca(CH3
COO)2
), citrates (Na3
C6
H5
CO7
), oxalates (FeC2
O4
),
ou formiates (HCO2
Na), etc.
Leur utilisation dépend:
- de leurs propriétés physico-chimiques (température de fusion,
décomposition, sublimation, pureté, hygroscopie, toxicité...),
- de leur disponibilité et de la forme du matériau désiré...

-L’avantage des sels comme réactifs, c’est qu’aux températures de réaction
et à l’air, ils se décomposent en générant des oxydes finement divisés;
-Ce qui favorise la formation de grandes surfaces de contact entre les phases
et améliore la réactivité.
- Les réactifs, doivent subir des broyages intenses et répétés, ce qui donne:
des échantillons intimement mélangés, une réactivité chimique optimale et
des phases plus homogènes.
Deux facteurs fondamentaux contrôlent la réactivité à l’état solide: la
thermodynamique et la cinétique.
- Le premier renseigne sur la possibilité de la réaction (ΔGTP <0).
- La cinétique détermine la vitesse des réactions chimiques.

- Par exemple:
la réaction: MgO+Al2
O3
→ MgAl2
O4
est thermodynamiquement possible,
mais très lente aux basses températures.
- Elle nécessite un traitement thermique à 1500°C durant quelques jours
à l'air.
- Au début (juste après le phénomène de nucléation) les réactions à l’état
solide apparaissent rapides grâce aux grandes surfaces de contact entre
les réactifs.
- Ensuite, le processus est ralenti par la difficulté de la diffusion des ions,
- les distances de diffusion, à l’échelle atomique, deviennent très élevées
(les diamètres des particules produites sont généralement de 10Ǻ)

- La réactivité des solides dépend également de leur structure cristalline et
de la présence susceptible des défauts cristallins.
- La nature et la concentration des imperfections ( lacunes, interstitiels et
dislocations) sont très important vis à vis de la vitesse de diffusion.
- Dans les solides polycristallins, il faut en plus considérer la diffusion à
travers les joints de grains.
- Il est nécessaire d’optimiser les différents facteurs qui contrôlent la
mobilité des ions à l’état solide afin de réduire le temps de réaction.
- Travailler à une température de réaction plus élevée pour augmenter la
concentration des imperfections cristallines à l’équilibre thermique.

- Homogénéiser de manière régulière le mélange réactionnel par:
- des broyages intensifs et vigoureux,
- en alternance avec les traitements thermiques.
- Les réactifs doivent être sous forme de poudre finement broyée et
intimement mélangés dans un solvant organique volatil (acétone, alcool,...).
- Divers types d'enceintes réactionnelles sont à utiliser lors d'une réaction
chimique à l'état solide et à haute température,
- On doit toujours choisir une enceinte ayant une inertie chimique vis-à-vis
des réactifs: des métaux nobles: Ag(Tf=965°C), Au(Tf=1063°C) ou
Pt(Tf=1750°C) ou des céramiques réfractaires (Tf>2000°C): Al2O3,
ZrO2, carbone graphite ou SiO2(Tf=1700°C).

- Le traitement thermique du mélange réactionnel est défini par:
- le type et la réactivité des poudres,
- l'atmosphère du milieu réactionnel,
- le programme de calcination (vitesse de montée en température, durée et
température du ou des paliers et vitesse de descente en température).
- La poudre, souvent pastillée, subit plusieurs traitement thermiques avec
des broyages intermédiaires, afin de réduire la taille des grains et
augmenter leur surfaces spécifiques et leur contact.
- Le déroulement de la réaction est contrôlé par des techniques telles que:
l'ATD, l'ATG et la diffraction des rayons X.

La méthode céramique présente certains inconvénients:
- la nécessité de grande quantité d’énergie (hautes températures, 2000°C).
- Broyage intensif.
- Réactions de plus en plus lentes.
Possibilité d'obtenir un composé instable ou de composition hétérogène.
Pourtant, la voie céramique reste probablement la méthode largement
utilisée pour la préparation des solides polycristallins.
D'autres méthodes, dites de chimie douce, telles que celles des précurseurs,
sol-gel ou synthèse hydrothermale peuvent remédier à ces inconvénients car
elles permettent d'opérer aux plus basses températures.

La coprécipitation ou méthode des précurseurs
- Méthode de préparation simple et rapide: basse température, durée des
traitements plus courtes,
- Atteindre un haut degré d'homogénéité: mélange à l'échelle atomique.
- Formation de très petits grains de précurseurs.
- Nécessite le contrôle du: pH, la température de la solution et la
concentration des espèces présentes.
- Exemple: synthèse de ZnFe2O4 spinelle.
- Dissolution des oxalates de zinc et de fer dans l'eau dans des proportions
stoechiométriques.

- la solution est vivement agitée tout en chauffant pour évaporer l'eau.
- Obtention d’une poudre fine de solution solide d'oxalte mixte de zinc et de
fer: Fe2(C2O4)3 + Zn(C2O4) → ZnFe2(C2O4)4
- Poudre très homogène portée à 1000°C pour former ZnFe2
O4
.
- ZnFe2(C2O4)4 → ZnFe2O4+4CO + 4CO2.
- La coprécipitation s'applique à d'autres types de précurseurs:
les hydroxydes, nitrates, citrates, acétates...
Le ferrite spinelle mixte Zn0,5Ni0,5Fe2O4 à partir des chlorures par NaOH:
0,5NiCl2,6H2O + 0,5ZnCl2 + 2FeCl3,6H2O + 8NaOH →
0,5Ni(OH)2 + 0,5Zn(OH)2 + 2Fe(OH)3 + 8NaCl + 12 H2O.

- Après filtration la poudre est portée à 700°C (1000°C par voie céramique):
0,5Ni(OH)2 + 0,5Zn(OH)2 + 2Fe(OH)3 → Zn0,5Ni0,5Fe2O4 + 4 H2O.

Le procédé sol-gel (Solution-Gélification)
- Consiste à préparer un sol à partir de précurseurs moléculaires en
solution.
- Précurseurs moléculaires = alcoxydes métalliques, M(OR)n
- M (Ti, Zr, Al, Sn, …) est un métal ou Si,
- R un groupement organique: alkyle CnH2n+1.
- un sol= une suspension de particules colloïdales très fines dans un liquide.
- le sol s’hydrolyse à basse température (20 à 150°C) pour donner un gel
par polycondensation.
- un gel = un corps semi-rigide colloïdal immergé dans un liquide,
- il est constitué d'un réseau tridimensionnel de liaisons cation-oxygène.

- le gel peut produire ensuite:
- une poudre très fine par séchage,
- des fibres par étirage,
- une pièce massive par écoulage dans un moule,
- film mince à la surface d'un substrat par déposage.
- Un traitement thermique à basse température permet de cristalliser la
matière.

- Les précurseurs subissent, en solution alcoolique et en présence d’eau, des
réactions d’hydrolyse et de condensation.
- Ce sont des réactions de substitution nucléophile, qui conduisent à la
gélification:
M(OR)n + xH2O → M(OR)n -x(HO)x + xROH (hydrolyse)
ou M(OR)n
+ xXOH → M(OR)n -x(XO)x + xROH (condensation, X métal)
- Les mécanismes réactionnels mis en jeu sont illustrés par les exemples suivants:

- Exemple du tetraethyl-orthosilicate, Si(OC2H5)4
: l’hydrolyse se répète sur
chaque groupement OR de la molécule:
- La réaction de condensation permet la formation de ponts siloxanes (unité
élémentaire de base du polymère inorganique), soit par:
- réaction de deux groupes Si(OH)4
avec élimination d’eau (oxolation)

- réaction entre un groupe Si-OH et un groupe Si-OR avec élimination d’alcool
(alcoxolation)
- Ces réactions d’oligomérisation ne conduisent généralement pas à la
formation de très grands polymères à cause de l’encombrement stérique
important des groupes alcoxydes.
- Les réactions d’hydrolyse et de condensation sont initiées en de très
nombreux sites différents dans la solution.

- Lorsque un nombre suffisant de liaisons Si －O－Si est formé sur un site, la
molécule se comporte alors comme une particule colloïdale.
- La taille des particules du sol et le réseau qu’elles forment dépendent du pH et
du rapport d’hydrolyse H2O /Si(OR)4.
- Les alcoxydes de silicium ne sont pas très réactifs vis-à-vis des réactions
d’hydrolyse et de condensation.
- La gélification est lente mais les réactions peuvent être catalysées, soit en
modifiant le pH, soit en ajoutant un catalyseur ou les deux conjointement.
- Le pH affecte fortement la microstructure des gels.

- En milieu basique, on observe des espèces oligomères très interconnectées qui
conduisent à des colloïdes.
- En milieu acide, de longues chaînes se forment donnant lieu à un gel
polymérique.
- Il existe de nombreux alcoxydes métalliques dans le commerce (M= Al, Si, Ti,
Zr…).
- A cause du nombre de coordination de l’ion métallique, la plupart des
alcoxydes métallisque s’hydrolysent très fortement,
- et doivent impérativement être manipulés en atmosphère sèche.

- La présence d’ espèces chimiques complexantes est nécessaire pour la
gélification de ces alcoxydes.
- leur rôle est d’empoisonner les groupes hydrolysables et ralentir les cinétiques
d’hydrolyse-condensation.
- Par exemple, pour les alcoxydes de titane ou de zirconium, l’acide acétique ou
l’acétylacétone sont souvent employés comme agents complexants.
- La température, la concentration en alcoxyde et la nature du solvant sont des
paramètres, qui influencent fortement la vitesse de formation du gel et sa
microstructure.

Synthèse hydrothermale
- Voie de synthèse en phase aqueuse réalisée dans un autoclave en acier (t°> au
point d'ébullition de l'eau et des pressions de quelques kbars).
- Dans ces conditions, l'eau sous forme liquide ou vapeur joue deux rôles:
- exercer une forte pression permettant d'augmenter la solubilité des réactifs,
- accélérer les réactions entre solides.

- En absence d'eau et dans ces mêmes conditions, ces réactions nécessitent de
très hautes températures.
- Cette méthode est utilisée pour la préparation de composés instables aux hautes
températures et également dans la synthèse des monocristaux.
- La synthèse hydrothermale est l'une des technologies les plus prometteuses
pour la préparation de fines particules d'oxydes.
- Elle permet leur formation directement, sans passer par la formation de
précurseur.

Dépôts chimiques en phase vapeur (CVD)
- Cette méthode consiste à placer des réactifs souvent volatils ( hydrure,
chlorure, carbonyle, organométallique...) dans un tube de silice scellé sous vide
ou balayé par un gaz. Le milieu réactionnel se trouve sous une atmosphère bien
contrôlée. Le tube est ensuite placé dans un four tubulaire.
- Exemple, la préparation de monocristaux de Fe3O4.

- L'utilité de cette méthode est également illustrée par l'exemple suivant:
- la préparation de Ca2SnO4 à partir de CaO(s) et SnO2(s) par réaction solide est
lente, mais elle devient très rapide en présence de CO:
SnO2(s) + CO → SnO(g) + CO2
SnO(g) + 2CaO(s) + CO2 → Ca2SnO4(s) + CO

Liaisons chimiques dans les matériaux
- Relation étroite entre la structure d’un matériau et ses propriétés.
- Cette relation tient compte:
- des constituant élémentaire des matériaux (atomes),
- des liaisons chimiques mises en jeu.
Atomes
- Le tableau périodique donne des informations sur les éléments chimiques:
- Les éléments de la même colonne ont la même structure électronique externe.
- Les métaux occupent une grande partie du tableau périodique.
- Les caractéristiques des éléments (l'énergie d’ionisation, l'électronégativité, la
nature métallique, le rayon atomique... ) varient en fonction de z.

Liaisons chimiques
Elles assurent la cohésion du matériau, sa déformabilité, sa conductivité
(thermique, électrique...), ses propriétés magnétiques, sa fragilité, sa densité...

- on distingue différents types de liaisons:
- la liaison covalente: la mise en commun d’un doublet électronique entre deux
atomes d’électronégativités comparables sur une même orbitale.
- Elle permet, le plus souvent, de saturer la couche électronique externe.
- C'est une liaison forte, courte, dirigée et anisotrope.
- Elle induit de fortes contraintes géométriques sur les empilements atomiques.
- Se trouve dans des molécules homonucléaires ou organiques,….
- Rencontrée également dans le diamant, le verre, la silice, les polymère...

- la liaison ionique due à une attraction électrostatique entre deux ions
d’électronégativités très différentes.
- Exemple: le transfert total d'un électron de Na à Cl donne NaCl.
- La liaison ionique est forte: elle sature la couche électronique extérne des
atomes et elle n'est pas dirigée.
- L’empilement des atomes est régi par:
- une compacité maximale
- le respect de la neutralité électrique dans un volume le plus faible possible.
- Parmi les solides ioniques on trouve: les halogénures d’alcalins, des oxydes
comme l’alumine Al2O3, la magnésie MgO et la zircone ZrO2,…

- la liaison métallique: la mise en commun des électrons de liaison dans un
nuage « délocalisé » et réparti sur l'ensemble des ions.
- Les métaux sont donc un assemblage d’ions positifs dans un gaz d’électrons,
- Ils ont des conductivités électrique et thermique élevées,
- un éclat métallique (interactions entre électrons et photons)
- et des propriétés mécaniques intéressantes (plasticité).
- La liaison métallique « pure » ne se rencontre que pour les métaux normaux
(alcalins, alcalino-terreux, Al...).
- Pour les métaux de transition, les ions sont beaucoup plus rapprochés,
l’interaction entre les sous-couches incomplètes de ces métaux crée une
composante covalente, qui renforce la liaison parfois de manière considérable.
- La liaison métallique n’est pas dirigée et conduit à des assemblages compacts,
souvent à symétrie élevée,

- la liaison hydrogène, ayant un caractère ionique marqué, résulte d’une
résonance entre deux positions d’un proton entre deux anions voisins fortement
électronégatifs (O2-, N3-, F-).
- Retrouvée dans l’eau, la glace, les sels hydratés, les polymères organiques
(acides...) et inorganiques (notamment les liants hydrauliques tels que les
ciments),
- la liaison de Van der Waals est une faible liaison due à l’attraction
électrostatique entre doublets électrons-noyau des molécules.
- On l'observe dans les polymères organiques, entre les feuillets silicatés des
argiles et entre les feuillets de graphite.

Principales caractéristiques des liaisons chimiques

Structure cristalline des matériaux
- Les atomes d'un matériaux sont souvent arrangés d'une manière régulière et
périodique suivant un réseau tridimensionnel dit réseau cristallin (14 réseaux de
Bravais).
- La compacité de l’empilement doit être la plus grande possible:
- 68% pour la structure cubique centrée
-74% pour les structures cubiques à faces centrées et hexagonales.
- La compacité d’un empilement dépend du caractère dirigé ou non des liaisons,
de la taille des atomes ou ions, de la stoechiométrie, de la neutralité électrique et
de la coordinence.

- Les métaux cristallisent dans une structure compacte ou éventuellement
cubique centrée: Cu, Ag, Al: cfc, Mg, Zn, Ti: hc, Fe, W, Ba: cc
- La structure des matériaux tels que les halogénures, les carbures, les oxydes
(présents dans les céramiques, les réfractaires, les ciments ...) est obtenue par
un empilement des anions où les cations viennent ensuite occupés certains
sites intersticiels.
Coordinence Rapport Rc/Ra géométrie
4 0,225 – 0,414 Tétraèdre
0,414 – 0,732 octaèdre
8 0,732 - 1 cubique

- Il existe également des matériaux solides non cristallins (amorphes) où
seulement l’ordre à courte distance est maintenu.
- Par exemple, le réseau cristallin de la silice formée de tétraèdres SiO4 reliés par
un sommet, est perturbé par:
- fusion suivie de trempe
- en remplaçant certains cations Si du réseau par d'autres cations de valence
différente (Na+, Ca2+, K+,...) qui ouvrent le réseau et brisent la périodicité.
- Les unités seront alors arrangées au hasard.

Thermodynamique du solide
- La thermodynamique permet de prévoir et de comprendre les opérations
d'élaboration et de stabilité des matériaux.
- L'évolution d'un système à température et pression constantes met en jeu une
certaine énergie exprimée par la fonction enthalpie libre: G=H–TS.
- Une réaction chimique est caractérisée à la température T par: ΔG=ΔH–TΔS.
- Un système évolue si la condition ΔGTP<0 est vérifiée.
- Il est en équilibre si ΔGTP=0.
- Si ΔGTP d'un système est positive alors celui-ci est thermodynamiquement
stable.

- Par exemple, CaCO3(s) ne peut se décomposer en CaO(s) et CO2(g) à une
température et pression données que si ΔGTP de cette transformation est négative.
Si ceci est vérifié alors CaCO3(s) est instable.
- Si ΔGTP >0, cette décomposition est impossible alors CaCO3(s) est stable.
- Si ΔGTP=0, alors la réaction CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g) est en équilibre.
- Comme ΔH et ΔS dépendent à leur tour de la température et de la pression,
alors ce composé ne peut être stable que dans un domaine de température et de
pression bien défini, ce qui est bien représentable par les diagrammes d'équilibre
entre phases.
- Soit l'exemple suivant traitant le cas du système MgO-Al2O3:

Les céramiques
- Introduction
- Les différentes catégories de céramiques
- Les céramiques traditionnelles
- Les matières premières
- Les produits
- terres cuites
- faïences
- grès
- porcelaines
- vitreous
- céramiques réfractaires
- Les céramiques fonctionnelles
- Les céramiques mécaniques
- Les céramiques électroniques et électrotechniques
- Les céramiques nucléaires

Les céramiques
- Le mot céramique provient du mot grecque « Kéramos » qui signifie argile.
- Les matériaux céramiques : des matériaux non organiques et non métalliques;
- ce sont formés d'éléments métalliques et non métalliques;
- De nombreux composés réfractaires: oxydes, carbures, nitrures, borures,...
sont considérés comme céramiques.
- ce sont des agglomérats de grains de poudres soudés (frittés) entre eux pour
donner une pièce massive et bien densifiée.
- La particularité des matériaux céramiques est que leur réseau cristallin est
formé par des liaisons intératomiques ioniques ou covalentes très fortes.

- Ce qui leurs confère des propriétés remarquables : température de fusion
élevée, inertie chimique, barrière thermique et grande dureté.
- Des domaines d’application très variés : composants soumis à des températures
élevées, outils de coupe, pièces d’usure, matrices, creusets, becs de coulée de
métaux en fusion….
- On parle dans ce cas de céramiques structurales ou traditionnelles.
-Il existe un autre type de matériaux céramiques: conducteurs ioniques,
supraconducteurs, semi-conducteur, ferro- et piézoélectriques, magnétiques,
optiques, physico-chimiques remarquables.
- on parle dans ce cas de céramiques techniques ou fonctionnelles.

- Les argiles sont des aluminosilicates de structure cristalline:
- Les céramiques sont élaborées sous forme de poudres (ou solides divisés)
- Puis mises en forme ( revêtements ou composés massifs) et frittées .
Les céramiques traditionnelles
Les matières premières: constituées principalement d'argile ou de kaolin.

- La plasticité des argiles est due à leur mélange avec de l'eau,
- Le façonnage par modelage ou moulage des objets est effectué par une simple
déformation.
- Les propriétés finales des céramiques, en particulier leur solidité, sont
développées par les transformations physico-chimiques dues à la cuisson.
Dégraissantes:
- des matières premières à effet non plastifiant, elles sont adjointes aux arglies.
- Elles facilitent le séchage des objets, limitent le retrait après cuisson et évitent
l'apparition de fissures et de déformations.
- Ce sont des fondants: elles abaissent la température de cuisson par formation
de phases vitreuses.

- Parmi ces matériaux dégraissantes, on peut citer:
- les chamottes: composition argileuse calcinée,
- les tessons: débris broyés de pièces cuites,
-les feldspaths: aluminosilicates alcalins ou alcalino-terreux en plusieurs
variétés,
-la silice,
-la dolomite: (Ca,Mg)CO3,
-la craie: CaCO3,
-le talc: hydrosilicate de magnésium
-des poudres de verres.

- Les pièces céramiques apparaissent souvent avec des surfaces vitrifiées d'un
aspect très lisse et de différentes couleurs.
- obtenu par étalement du vernis fondu sur la surface des pièces lors de cuisson.
- Le terme vernis regroupe:
- les glaçures: vernis transparent posé sur une pâte cuite, poreuse ou vitrifiée;
il est fondu lors d'un second cycle thermique à une température plus basse que
celle de la cuisson du tesson céramique,
- les couvertes: vernis transparent dont la cuisson est réalisée lors du même
cycle thermique que la cuisson du tesson céramique
- les émaux: sont des vernis opaques posés sur toute matière céramique.

- Les vernis sont élaborés de: silice, feldspaths, craies, kaolins les plus pures.
- Pour des applications à basse température, on adjoint des fondants comme le
borax, le carbonate de soude ou des composés du plomb.
- Les couleurs céramiques sont réalisées par des vernis colorés par la présence
de composants métalliques plus ou moins complexes, tels que:
- les sels de cobalt ou zircone-vanadium bleu,
- les composés du chrome vert,
- du fer jaune-ocre ou brun-rouge,
- les composés zircone-yttrium jaune,
- les composés de l'étain blancs opaques.

- Les produits
- la qualité des argiles
- la nature des adjuvants incorporés à la pâte objets céramiques
- Le type de traitement de surface appliqué
- le processus de cuisson
- terres cuites:
- faites d'argile ordinaire,
- ne reçoivent pas de traitement de surface,
- subissent une seule cuisson entre 900 et 1160°C.
- Ce sont des matériaux poreux et mécaniquement résistants,

- utilisés dans le bâtiment ( briques, tuiles, tuyaux de drainage, conduits de
fumées, carreaux de sols) et fabrication de pots de jardinier.
- fabrication des tuiles vernissées ou de la poterie vernissée par émaillage ou
application d'un enduit fusible sur la terre cuite,
- ce qui leurs confère une glaçure imperméable.

- faïences: produits céramiques fait d'un tesson poreux recouvert d'une glaçure.
- mélange d'une ou de plusieurs argiles avec du sable, des feldspaths et parfois de
la craie et du verre pilé.
- La mise en forme est réalisée par coulage, calibrage ou pressage.
- Subissent un 1ier cycle thermique de dégourdi, suivi par émaillage et un 2ème
cycle pour la cuisson de l'émail. Un 3ème cycle est nécessaire après la décoration.

- On distingue parmi ce type de produits:
- les faïences communes:
- faites d'argiles ordinaires,
- cuites à une température comprise entre 900 et 1150°C,
-recouvertes par un vernis transparent plus au moins coloré.
-fabrication de briques et tuiles vernissées, carreaux de revêtements muraux,
poterie décorative, vaisselle,
- les faïences stannifères:
- recouvertes avant cuisson, d'un vernis opaque à base d'oxyde d'étain pour
une couleur blanche. Puis cuites à 1200-1250°C.

- contiennent de la chaux, pour réduire le coefficient de dilatation des tessons.
- les faïences fines:
- formées de pâtes blanches,
- elles sont cuitent en biscuit à 1250-1300°C,
- elles sont recouvertes d'une glaçure transparente,
- l'émaillage est effectué à 1020-1100°C,
- une seconde cuisson est nécessaire après application du décor.
- l'incorporation éventuelle de feldspath réduit ou supprime la porosité dans la
masse par ramollissement de ce dernier au-dessous de la température finale de
cuisson.

- Caractérisée par une solidité importante et une bonne résistance aux rayures.
- utilisée dans la production de vaisselle artistique, d'objets décoratifs et des
carreaux de faïences.
- grès: produits vitrifiés, opaques, imperméables, très durs, recouverts ou non
par des vernis.
- Température de cuisson: 1250≤T≤1290°C, dépend de la composition.
- On distingue en particulier:
- les grès naturels: formés de minéraux prélevés directement de la carrière, sans
aucun ajustement de la composition,

- les grès cérames: faites d'argiles contenant des composés vitrifiables,
auxquelles on ajoute du feldspath et du quartz.
- Elles présentent des pâtes moins blanches après cuisson,
- Utilisés dans la fabrication des carreaux de sol, des isolateurs électriques pour
lignes aériennes,
- les grès composées ou fines: le fondant y est apporté sous forme de feldspath.
- Production de vaisselles et de carreaux de revêtement ou de sol
- les grès sanitaires: composés d'argiles grésantes, d'une faible quantité de
fondants et d'une forte quantité de chamotte.
- Destinés à la fabrication des pièces sanitaires par coulage dans des moules.

- porcelaines: ce sont des produits vitrifiés, translucides, blancs, imperméables,
très durs, recouverts ou non par des vernis. On y trouve trois classes:
- porcelaines dures: composées essentiellement de 50 à 55% de kaolin, de 25%
de feldspath et de 20 à 25% de silice.
-dégourdi entre 800 et 1050°C, cuites à 1370≤T≤1400°C ou
1280≤T≤1300°C (composition) après émailléage par un mélange de feldspath et
de silice.
-destinées à la fabrication de vaisselle ou d'isolateurs électriques
- porcelaines tendres: ou porcelaines phosphatiques, composées de 30 à 50% de
kaolin, de 30 à 50% d'hydroxyapatite Ca5
(PO4
)3
OH, de 2 à 25% de feldspath et
de 5 à 15% de silex.

- La cuisson est réalisée entre 1250 et 1300°C, selon la composition exacte.
- Après émaillage, les glaçures sont cuites entre 1050 et 1150°C.
- Ce type de céramiques présente une microstructure de cristaux de Ca4
(PO4
)2
et
d'anorthite (CaAl2
Si2
O8
) dispersés dans une phase vitreuse.
- porcelaines alumineuses: peut contenir jusqu'à 50% d'alumine avec addition
d'oxydes alcalino-terreux comme fondants.
- Leur cuisson est réalisée entre 1280 et 1320°C.
- Utilisées comme isolateurs ou matériaux diélectriques de hautes tensions ou
bougies d'allumages.

Vitreous:
- ce sont des produits intermédiaires entre les grès à pâte blanche et les
porcelaines, avec de grandes teneurs en feldspaths (plus de fusibilité)
- la cuisson: entre 1230 et 1300°C,
- la cuisson après émaillage: au voisinage de 1200°C.
- utilisés dans la fabrication de la vaisselle résistant aux chocs, aux rayures et
aux agressions chimiques,
- utilisés dans la production des céramiques sanitaires.

céramiques réfractaires:
- ce sont des matériaux capables de supporter de hautes températures sans
détériorer leurs propriétés.
- ce genre de matériaux céramiques industriels sont très stables:
- ont une inertie chimique vis-à-vis des autres matériaux même aux hautes
températures.
- Ils sont résistants aux chocs thermiques,
- gardent leur nature chimique ou physico-chimique,
- gardent leurs propriétés mécaniques et physiques à la température d'utilisation.
- On distingue divers types de matériaux réfractaires:

-réfractaires aluminosilicates :
Se composent de
cations leurs
confèrant un caractère
acide, ils sont
représentés dans le
diagramme de phase
SiO2-Al2O3.

- Les réfractaires de silice, d'une teneur en SiO2 de 93%, montrent une grande
rigidité jusqu'à 1600°C, associée à une grande résistance aux chocs thermiques.
- Les réfractaires argileux et silico-argileux, d'une teneur de 10≤Al2O3≤45% en
moles. Ils sont élaborés à partir d'argiles réfractaires et de chamottes. Après
cuisson, le composé réfractaire principal est la mullite 2SiO23Al2O3.
- Les réfractaires alumineux, d'une teneur en Al2O3>45%, peuvent provenir de
sillimanite, andalousite et cyanite ou de bauxite et de gibbsite. Ils présentent une
grande résistance aux chocs thermiques et aux attaques chimiques.

formés de cations
ayant un caractère
basique, ils sont
représentés dans le
diagramme de
phase MgO-Cr2O3.
réfractaires basiques:
-

- La qualité de ces matériaux dépendent de la présence des impuretés,
- par exemple les composés ayant un rapport chaux/silice supérieur à 1,86 ont
de faibles points de fusion et sont utilisés jusqu’à 1400°C.
- L'addition de chromite assure une bonne résistance aux chocs thermiques.
- D'autres réfractaires basiques proviennent du frittage à 1700°C de dolomite
CaCO3MgCO3.
- Ils sont utilisés aux basses températures à cause de la présence de phases
fusibles vers 1400°C.

réfractaires spéciaux:
- la zircone ZrO2(Tf=2700°C) est caractérisée par une forte réfractarité et une
bonne stabilité chimique,
- elle est stabilisée sous forme quadratique par dopage par 3 à 25% en moles de
CaO, de MgO ou de Y2O3.
- utilisée dans la fabrication de creusets ou de revêtements d'autres réfractaires
pour une application jusqu'à 2500°C. Production de résistances chauffantes.
- les objets sont mis en forme par coulage ou par extrusion.
- les réfractaires ZrSiO4 (zircon) résistent fortement aux chocs thermiques et aux
acides. Leur emploi ne doit pas dépasser 1600°C à cause de leur décomposition.

- Les pièces sont mises en forme par pressage, coulage ou extrusion puis frittés à
une température inférieure à 1600°C.
- D'autres matériaux réfractaires avec de bonnes résistances aux chocs
thermiques, sont obtenus à base de carbone ou de carbure de silicium SiC.
- Des matériaux réfractaires utilisés dans la construction des fours de haute
température (sidérurgie, fours d'usines chimiques et de raffineries, fours des
industries verrières et céramiques, fours d'élaboration de matériaux réfractaires)
- Dans certains cas, les paroies réfractaires d'un four sont réalisées par projection
d'une pâte sur les parois internes de ce four. La pâte, comme un ciment, s'adhère
et fait prise. Sa cuisson s'effectue ensuite, in situ.

Les céramiques fonctionnelles:
- constitués:
- d'oxydes, autres que les silico-aluminates,
- de borures,
- de nitrures ou
- de carbures.
- classés selon leurs propriétés et application en trois catégories:
- les céramiques mécaniques,
- les céramiques électroniques ou électrotechniques
- les céramiques nucléaires.

- Les céramiques mécaniques: caractérisés par des propriétés mécaniques
exploitables aux hautes températures (qualités que les métaux ou polymères ne
peuvent présenter): la dureté et la ténacité.
- Les applications les plus courantes de ces matériaux se résument dans:
- abrasifs (Al2O3, SiC),
- billes et corps de broyage (porcelaine, Al2O3, ZrO2, Si3N4, WC-Co),
- corps de pompes (Al2O3, SiC, Si3N4),
- patins à glace,
- lames de couteaux (ZrO2),

- guides de fils pour filatures (Al2O3),
- roulements à billes (SiC, Si3N4),
- pièces d'usure,
- bagues de frottement (B4C, SiC),
- plaques de blindage (Al2O3, B4C),
- pales d'hélicoptères (Al2O3, Al2O3-ZrO2, B4C),
- buses de filage d'acier (ZrO2),
- outils de coupe (Al2O3, Al2O3+TiC ou WC ou ZrO2, Si3N4, BN, divers
cermets (composites céramique et métallique)),
- joints tournants (SiC ou Si3N4),
- outils de forage et travail de bois (WC-Co),
- céramiques pour turbines (ZrO2, Si3N4),
- des pièces pour moteurs automobiles (SiC, ZrO2, Si3N4).

- Les céramiques biomédicales sont aussi des céramiques mécaniques.
- Choisis de manière à avoir une composition voisine des os pour:
- être tolérés par le corps humain
- limiter l'usure de leurs surfaces frottantes.
- Les principales applications consiste en la fabrication des:
- têtes fémorales,
- cupules acétabulaires,
- prothèses dentaires,
- prothèses totales du genou.
- Les matériaux utilisés sont: Al2O3, ZrO2 et leurs composites.

- D'autres matériaux bio-actifs, l'hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2, la whitlockite
β-3CaO-P2O5 ou leurs composites et des biociments (ciments phosphocalciques),
sont également utilisables.

Les céramiques électroniques ou électrotechniques sont mises au point par la
technologie céramique.
- Leur application découle de l'exploitation de leur comportement vis-à-vis d'un
champ électrique ou magnétique.
- Divers composants sont réalisés:
-isolants électriques (isolants, substrats, circuits d'interconnexion, condensateurs,
résonateurs hyperfréquence),

- céramiques conductrices (supraconducteurs, électrodes, éléments chauffants,
résistances),
- composants piezo/pyro/ferroélectriques, composants magnétiques (ferrites
doux, ferrites durs, ferrites pour application hyperfréquences),
- capteurs (pour gaz, électriques, piézoélectriques, catalytiques, à électrolytes
solides),
- composants multifonctions et couches minces.
- traitement des déchets nucléaires par incorporation dans une phase vitreuse.
Exemple: YBa2Cu3O7-δ est une céramique supraconductrice découverte en 1987,
Tc= 92K, 0,2 ≤δ≤0,4. Pour T≤Tc, la résistance électrique du matériau est nulle,
donc transport de l'électricité sans perte.

- diamagnétisme idéal: c-à-d, le matériau imperméable au champ magnétique,
phénomène exploité dans l'expérience classique de lévitation au dessus d'un
aimant permanent.

- la coordinence de Y= 8,
- Ba=10,
- Cu=4 (carrée),
- Cu=5 (pyramide à base carrée).
- YBa2Cu3O7-δ obtenu par la voie céramique (ou par voie sol-gel) selon:
Y2O3 + 6CuO + 4BaCO3 → 2YBa2Cu3O7-δ + 4CO2 (900°C, 24h)
- structure cristalline : orthorhombique déficitaire en oxygène.
- les paramètres de maille: a=3,82Å, b=3,89Å et c=11,68Å

- La conduction par supraconductivité a lieu dans les directions parallèles aux
plans des atomes de cuivre appartenant aux bases des pyramides, ces plans sont
séparés par les couches d'yttrium.
- Ce phénomène est un caractère commun à tous les supraconducteurs oxydes à
haute température critique.
Les céramiques nucléaires: La technologie céramique est également employée
dans la préparation des combustibles nucléaires sous forme d'oxydes très purs
(UO2, UO2-PO2, (U,P)C)),

Elaboration des céramiques
- Le procédé d'élaboration des céramiques et leurs propriétés sont directement
influencés par les caractéristiques des matières premières:
- la taille des particules (des formes irrégulières, rarement sphériques ou
cubiques)
- leur distribution,
- leur empilement,
- la mise en forme,
- le frittage,
- l'évolution de la microstructure du matériau.

La taille d'une particule peut être définie de diverses manières;

- L'observation des particules par microscopie électronique à balayage,
- Analyse d'images: déterminer la morphologie, la taille, l'homogénéité et le calcul
du facteur de forme des particules.
-Rapport de forme = axe principal/axe secondaire pour une forme régulière
(disques, cylindres, plaquettes, bâtonnets),
- dFmax/dFmin pour exprimer l'allongement d'une particule de forme irrégulière.
- la mesure de la taille des particules par: tamisage, sédimentation,...
- Des informations sur la microstructure des poudres céramiques obtenues par:
mesure de masse volumique, de porosité et de surface spécifique.

Image d’une poudre de charbon actif de l’écorce de la banana obtenue par

- La caractérisation chimique des poudres céramique: composition chimique et
identification des phases cristallines de la poudre.
- le dopage des poudres avec des éléments mineurs (0,1 à 5%) permet de
modifier les propriétés intrinsèques des matériaux.
- Les prix des matières premières destinées à la fabrication des céramiques
varient fortement en tenant compte de la taille des grains, de leurs puretés et de
leurs compositions.
- Les différents types de synthèse ont été détaillés dans le premier chapitre.
- Les principaux matériaux utilisés dans l'industrie céramique sont détaillés dans
le tableau suivant:

- La mise en forme est un thème central de l'organigramme de fabrication des
céramiques,
- Chaque objet a une forme précise: une couche mince, une tasse ou une brique.
- Le choix de la technologie de mise en forme d'une céramique crue ou verte
formée de poudres compactées dépend de plusieurs facteurs:
- la taille des objets,
- la forme des objets,
- les tolérances dimensionnelles,
- l'état de surface,
- les tonnages produits
- le coût de production.

- Les propriétés intrinsèques des céramiques, fragilité et très haut point de
fusion, ne permettent pas l'application des méthodes métallurgiques classiques
comme le laminage et la fonderie,
- par exemple la difficulté de mettre les céramiques supraconductrices sous
forme de câbles destinés au transport du courant électrique.
- ces difficultés sont surmontées par:
- le pressage d'une poudre sèche ou de granulés,
- le coulage en barbotine,
- la déformation par extrusion,
- calibrage d'une pâte plastique .

- Il existe souvent une étape technologique où la poudre est mélangée avec un
liquide (eau ou solvants organiques) pour constituer une dispersion (une
barbotine) ou de liants et de lubrifiants pour faciliter le compactage.
- La barbotine peut être atomisée pour former les granules destinés à la mise en
forme par pressage.
- ou par coulage comme dans le cas de la réalisation des tasses en porcelaine.
- la mise en forme par voie humide nécessite une période de séchage et de
déliantage pour éliminer les additifs avant le frittage.
- le séchage et le déliantage induisent des retraits pouvant provoquer des défauts si
l'élimination est trop rapide. Elles doivent donc être bien maîtrisées.

Traitement des poudres
- Les poudres présentent des agglomérats qu'il faut fragmenter par concassage,
- puis finement diviser par broyage avant utilisation dans l'industrie céramique.
- Le concassage réduit des entités d'une taille de plusieurs dizaines de cm à des
dimensions de l'ordre du mm ou de quelques centaines de μm.
- Les poudres peuvent atteindre, par broyage, un diamètre de quelques dizaines
de μm et peut même atteindre 1 à 0,1 μm.
- Le cycle de broyage est souvent complété par une étape de classification,
- permettant de retirer la fraction de poudre ayant la taille requise,
- ce qui permet une optimisation plus efficace de l'énergie de broyage.

- l'efficacité du broyage est de créer des forces de compression, de cisaillement et
de friction sur les particules à broyer.
- la rupture d'agglomérats, la fracture, le feuilletage, le clivage et l'écaillage du
matériau, a pour conséquence la réduction de la taille des particules.
- Le mécanisme du broyage dépend beaucoup de la microstructure du matériau
(concentrations des défauts, joints de grains et nature de pontage dans les
agglomérats),
- schématisation des divers mécanismes de fragmentation.

- Types de broyeurs:
- Le principe de fonctionnement
du broyeur à billes: percuter les
corps broyés par des chutes
répétées des billes à l'intérieur du
cylindre en rotation.
- Le broyeur à tube vibrant est
empli de très petites billes qui
permettent d'obtenir des poudres
sub-microniques par des collisions
de plus en plus fréquentes.

- Le broyeur par attrition: utilisé pour le broyage des
poudres ayant déjà un diamètre inférieur à 50μm.
- L'agitation crée:
- des contraintes appliquées aux particules importantes en
compression et en cisaillement,
- des fréquences de collisions élevées menant à des
cinétiques de broyage rapides.
- le phénomène d'attrition est induit par la friction des
particules entre les billes agitées par les bras du broyeur.
- Ce type de broyeur peut même utiliser des barbotines.

- le broyeur à impacts: les
particules sont entraînées en
un mouvement de translation
très rapide par plusieurs jets
d'air comprimé puis brisées
par impacts les unes contre
les autres.

Mise en forme
Les principales technologies de mise en forme des céramiques sont:
- le pressage des poudres sèches,
- la mise en forme par voie humide de suspension et pâtes.
- Pressage
- Le façonnage des céramiques par pressage consiste à comprimer:
- une pâte plastique molle,
- ou une pâte sèche dans un moule.
- Les moules poreux sont en plâtre très dur ou en métaux.
- Ces moules permettent un démoulage facile.

Il existe deux principaux modes de pressage à sec:
- le pressage uniaxial utilisé pour la fabrication rapide
et en grande série de pièces de formes simples.
-la poudre atomisée est comprimée à l'intérieur d'une
matrice par l'intermédiaire de deux pistons.
- la pression exercée dans le cas des céramiques à base
d'argile est de l'ordre de 30 MPa,
- peut atteindre 300 à 400 MPa dans le cas des
céramiques à base d'oxydes.

- le pressage isostatique à froid est utilisé pour la réalisation de pièces de formes
complexes (billes de broyage en porcelaine, des tubes, des bougies d'allumage de
voitures,....)
- la pression, appliquée sur un moule
plastique empli de poudre à presser, est
obtenue par l'intermédiaire d'un fluide
sous pression.
-dans le cas des pièces contenant des argiles, on emploie des pressions
comprises entre 15 et 30 MPa.
- avec d'autres liants, des pressions de 100 à 200 MPa sont utilisées.

- Lors de la compaction de la poudre
à l'intérieur du moule, la variation de
la densité du comprimé avec la
pression appliquée se fait
généralement en trois étapes:
- réarrangement des granulés (I);
- déformation des granulés (II);
- déformation et fracture des granulés.

- la difficulté principale lors d'un pressage à sec est de produire un comprimé
présentant une densité homogène afin d'éviter des retraits et des déformations
lors de la cuisson.
- Des additifs peuvent être adjoints à la composition céramique durant les étapes
de granulation et de compaction pour avoir:
- une distribution uniforme de la densité,
- et un minimum de défauts (cassures, fissures,...) dans le corps vert.

- Extrusion
- La matière première plastique, préalablement désaérée, est comprimée et
poussée au travers d'une filière sous une pression de l'ordre de 4 à 15 MPa.
- La filière ou matrice est une sorte de moule sans fond qui donne la section
désirée au pain de pâte continu qui en sort.
- Ce procédé est utilisé pour la mise en forme de tubes, de supports de catalyseurs
en nids d'abeille, de briques ou de pâte à façonner par d’autres méthodes.
- La matière première est de composition argileuse pour la fabrication de
porcelaines, grès, faïences ou terres cuites ou non argileuses à laquelle est ajouté
un liant à sec avant l'adjonction du liquide.

- Les additifs doivent remplir des conditions de rhéologie, de lubrification et de
résistance du produit extrudé nécessaires à l'obtention de formes aussi complexes
que des supports de catalyseurs en nid d’abeilles.

- Calibrage
- Ce procédé consiste à étaler, à l'aide d'un calibre, une pâte plastique contre la
surface d'un moule en rotation.
- L'une des faces de l'objet
façonné est due à la paroi du
moule tandis que la surface
de l'autre face est profilée par
le calibre.

- La technologie de mise en forme par calibrage concerne essentiellement la
production de vaisselles (assiettes et tasses) de faïences, de vitreous ou de
porcelaine.

- Moulage par injection
- Ce procédé est utilisé pour la fabrication de petites pièces (mm et cm) de grande
précision;
- Il se base sur le remplissage d'un moule ayant la forme de la pièce à fabriquer en
introduisant sous pression le mélange fluidifié.
- Ce mélange est constitué d'importantes fractions volumiques de poudres
céramiques dans les polymères fondus.
- Une composition typique du mélange pour le moulage par injection est:

- Ce mélange thermofusible est chauffé dans une enceinte puis forcé à travers
une buse dans le moule dont la température est inférieure au point de fusion du
mélange.

- Les pressions utilisées sont comprises entre 30 et 100 MPa et les températures de
l'ordre de 150°C.
- Après solidification, par abaissement de la température, la pièce est éjectée du
moule.

Mise en forme de barbotine: coulage
- Le coulage de barbotine consiste à remplir un moule poreux avec une
suspension céramique coulable.
- L' eau de la barbotine est absorbée sur les parois poreuses du moule et les
particules de la céramique y forment une couche consolidée.
- Dans le cas des coulages en creux, la barbotine excédentaire est vidée hors du
moule lorsque l'épaisseur désirée est atteinte.
- un apport est assuré, dans le cas des coulages en plein, pour compenser la
diminution du volume due au passage de l'eau de la barbotine dans le moule.
- Le coulage dure généralement entre 20 à 90 minutes et même plus longtemps,

- Il peut être réduit par application d'une pression de gaz sur la barbotine ou
absorption sous vide ou par centrifugation.
- Ceci permet d'augmenter le taux de production, d'utiliser moins de moules et
de ne laisser que de faibles quantités d'eau dans la pièce,
- ce qui réduit le temps et l'énergie de séchage.
- La pièce est ensuite retirée du moule immédiatement ou après un temps de
séchage en tenant compte de ses propriétés mécaniques.

- Le coulage est réalisé dans la fabrication des formes
compliquées et/ou de grande pièces, telles que:
- des pièces produites en porcelaines fines,
- des creusets à parois fines,
- des réfractaires à formes complexes,
- des tubes à bouts fermés,
- de grosses pièces sanitaires en grès cérame ou en
vitreous (cuves des toilettes et lavabos).

- Les défauts dans les céramiques crues obtenues par cette méthode sont:
- l'épaisseur de parois variable,
- distorsion des formes au séchage,
- bulles de gaz,
-fissuration due à l'adhésion au moule,
- inclusions de débris du corps broyant ou d'agglomérats durs.
- Il est nécessaire de bien désagglomérer la poudre et contrôler sa suspension
pour pouvoir remédier à ces défauts.

Séchage
- C'est une étape importante dans la fabrication des céramiques;
- Pratiquement toujours associé aux retraits (environ 10%). L'adjonction de
dégraissants à la pâte permet de réduire les retraits.
- La méthode industrielle la plus utilisée dans le séchage des céramiques est
l'étuve à convection (un flux d'air chaud permet d'éliminer la vapeur du liquide)
- La chaleur peut aussi être fournie par conduction par l'intermédiaire du support
des pièces chauffées par le flux d'air chaud ou en utilisant un substrat chauffé.
- Des rayonnements infrarouges permettent par radiation de sécher les pièces
céramiques.
- Le séchage des céramiques est caractérisé par le retrait et la perte en masse.
-Si une argile a un retrait linéaire de 10%, alors une barre de 1,00 m mesurera
0,90 m après retrait . Un cube de 1 m de côté verra alors ses dimensions réduites
3.

Déliantage
- C'est une étape qui suit le séchage. Il s'agit d'un premier cycle thermique dit
dégourdi, imposé à la pièce céramique pour commencer sa densification.
- La pièce céramique est portée à une température suffisamment élevée pour que
ses matières premières perdent leur eau de constitution,
- les additifs organiques s'éliminent par oxydation ou décomposition et
évaporation dans l'air.
- La céramique perd sa plasticité et ne peut se déliter par addition de l'eau.
- Elle reste fortement poreuse pour faciliter son émaillage et sa décoration.

- La cinétique de déliantage est bien contrôlée afin d'évacuer les gaz formés par
évaporation et éviter l'apparition des gradients de pression à l'intérieur de la
céramique verte, encore peu résistante mécaniquement,
- Les gradients de pression peuvent provoquer la formation des déformations ou
des fissures.
- La définition du cycle thermique permettant l'élimination totale du liant dépend
de la nature du liant, de la taille et de la forme de la pièce céramique.
- La montée en température varie entre 0,5 et 1°C/mn et mène à des paliers
pouvant durer de 1 à 24 h.

- La cinétique de déliantage est mesuré par ATG.
- Un exemple typique de déliantage est donné pour BaTiO3 coulé avec l'acide
polyvinylique.

Frittage
- La plupart des objets céramiques modernes sont obtenus par frittage.
- La céramique crue doit être caractérisée, avant le frittage, pour déceler les
différents défauts susceptibles d'y être présents.
- Il est recommandé de savoir les principales caractéristiques des corps verts:
- sa densité,
- l'homogénéité de la porosité et la distribution de la taille des pores,
- la résistance mécanique,
- la taille des particules,
- la répartition des diverses phases.

- Le frittage est un traitement thermique réalisé, sur des objets formés de poudre,
à une température bien inférieure à celle de fusion du constituant principal.
- Il permet de transformer le comprimé de poudre en une masse solide et
cohérente sous l'effet de la température.
- Les grains de poudres se soudent les uns aux autres, par formation de joints de
grains et élimination de la plupart des pores et cavités interstitielles dues à la
diffusion de matière. En conséquence, l'objet se contracte.
- Pour fritter une pièce, il est primordial de disposer d'une poudre ayant une
réactivité élevée ( particules de dimensions microniques de l'ordre de 0,1 à 5 μm
et de surfaces spécifiques d'environ 5 à 15 m2/g), d'une pureté chimique et des
homogénéités physique et chimique connues et contrôlées.

- Le frittage résulte d'une diminution de l'étendue de l'interface solide-vapeur,
correspondant à la minimisation de l'énergie libre de la surface de la poudre, liée
à une augmentation de la taille des particules.
- A basse température, les particules se réarrangent et collent entre elles en
développant des zones de raccordement, ensuite elles fusionnent.
- Il y a densification et grossissement des grains accompagnés d'une élimination
progressive des porosités intergranulaires.
- Les phénomène de consolidation (croissance des cous) et de densification
(rapprochement des grains) accompagnent le frittage d'un matériau.

-Si une surface d'un solide est formée par deux régions adjacentes l'une convexe
et l'autre concave, alors il doit exister une différence de concentration en lacunes
et en pression de vapeur saturante entre ces deux régions.
- Ceci entraînera un flux de lacunes de la partie concave vers la partie convexe et
transport de matière dans le sens inverse
- Ainsi, la surface solide-vapeur est
diminuée par érosion dans la région
convexe et par comblement dans la
région concave.

Divers mécanismes de transfert de matière interviennent dans le frittage:

Films minces et revêtements
-Le film mince: matériau solide (qqÅ ≤épaisseur≤ qqμm) déposé sur un substrat.
- Substrat: un autre solide de nature physico-chimique différente du premier.
- Pour les céramiques traditionnelles: les revêtements sont adoptés pour améliorer
l'aspect de surface de certaines pièces ou leur décoration. Ce sont des émaux,
glaçures ou couvertes.
- Pour les céramiques techniques: ils peuvent être utilisés comme éléments
fonctionnels (films PZT dans des mémoires ferroélectriques non volatils),
- couche protectrice contre l'usure ou la corrosion (film de ZrO2 sur des aubes de
turbine à gaz), fabrication de composants avancés pour la microélectronique.

L'épitaxie par jet moléculaire
- C'est le dépôt de couches atomiques par bombardement sur un substrat placé à
l'intérieur d'une enceinte où règne un vide de l'ordre de 10-11 mbar.
- Le substrat est poli, nettoyée des impuretés par chauffage et oxydation.
- Ensuite placé dans la chambre d'épitaxie pour un recuit à 300°C;
- Ceci facilitera le dépôt des couches atomiques sur sa surface.
- Les atomes arrivent en alternance, sous forme de flux gazeux à grande vitesse;
ils se fixent sur la surface du substrat.
- le temps d'exposition du substrat au flux est fonction de la nanostructure désirée.

Un exemple d'épitaxie: le dépôt d'oxydes de fer sur un substrat en alumine.

Le dépôt par pulvérisation cathodique
- La pulvérisation cathodique consiste à:
- bombarder une cible par les ions argon afin d'y arracher des composés,
- puis les envoyer se déposer sur le substrat.

La pulvérisation par canon à électron:
- focaliser un faisceau d'électrons de très haute énergie sur un matériau.
- Les électrons créés par
effet thermoélectrique sont
accélérés sous l'effet d'une
différence de potentiel
électrique et déviés sur la
cible à vaporiser à l'aide
d'un champ magnétique.
- Une rotation du substrat permet l'homogénéisation des couches déposées.

Le revêtement par peinture
- La poudre céramique est mélangée à un diluant inerte de viscosité convenable.
- Il y a formation d'une peinture pouvant s'étaler facilement sur le substrat.
- Une couche adhérente est obtenue après séchage et évaporation du solvant.

La projection flamme
- Le matériau en poudre fine est mis en suspension dans un gaz vecteur,
- puis envoyé dans une flamme qui échauffe les particules et accroît leur vitesse,
- les particules sont projetées sur le substrat et y sont adhérées .

Sérigraphie
- Le matériau est dispersé dans un diluant chimiquement inerte de viscosité
convenable donnant un mélange avec des propriétés rhéologique favorable au
passage forcé au travers d'un tamis très fin,
- certaines parties du tamis sont obturées, définissant ainsi le motif à déposer.
- le mélange peut traverser les parties libres du tamis sous l'effet d'une pression
exercée par une raclette.
- Après séchage (évaporation du solvant), suivi d'une cuisson à haute température,
on obtient des couches épaisses et bien délimitées.

Spray
- Une solution contenant le composé à déposer est pulvérisée dans un gaz
vecteur à l'état de très fines gouttelettes,
- Les gouttelettes sont envoyées sur le substrat chauffé, sur lequel le solvant
s'évapore ou se décompose en produits gazeux,
- et les sels réagissent pour former le dépôt généralement à base d'oxydes.
Pyrosol
- Une solution aqueuse contenant des sels de métaux avec lesquels on désire
former un dépôt est pulvérisée par les vibrations ultrasoniques d'un quartz,

- formation de gouttelettes parfaitement calibrées et très fines (1-3μm),
- celles-ci sont envoyées sur le substrat chauffé, sur lequel le solvant s'évapore ou
se décompose en produits gazeux.
Dépôts électrochimiques
- Une espèce ionisée en solution (solvant aqueux, organique ou sel fondu) est
réduite sur la surface du substrat.
- Le dépôt peut être obtenu par électrolyse: le substrat est pris comme électrode
dans un électrolyseur et le dépôt se forme par réduction cathodique ou oxydation
anodique de l'espèce dissoute.

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