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GCI 116 - Matériaux de lingénieur Des Matériaux Section 8.6 chapitre 13 sauf 13.1.2 Sauf 13.5.3 et 13.6 Partie 5 Les différents types de matériaux Plan.

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1 GCI Matériaux de lingénieur Des Matériaux Section 8.6 chapitre 13 sauf Sauf et 13.6 Partie 5 Les différents types de matériaux Plan 5.3 Les céramiques (Rappels) Généralités Types de céramiques A - Traditionnelles B - Techniques C - Réfractaires D - Verres E - Ciments et bétons Dégradation des céramiques

2 GCI Matériaux de lingénieur 5.3 Les céramiques * Liaisons - ioniques et covalentes * Architecture atomique - matériaux amorphes ou cristallisés Rappels Tétraèdre de silice Silice amorphe (ex.: verre) Silice cristallisée (ex.: quartz)

3 GCI Matériaux de lingénieur * Propriétés - mécaniques Rappels concentration de contrainte (répartition des contraintes locales) courbe de traction comportement généralement fragile rigidité élevée dans le cas des matériaux cristallins, les dislocations sont immobiles zones critiques où il peut y avoir concentration de contrainte 5.3 Les céramiques

4 GCI Matériaux de lingénieur * Propriétés (suite) - mécaniques Rappels 5.3 Les céramiques Amélioration de la ténacité conductibilité thermique - physiques isolantsemi-conducteur conductivité électrique

5 GCI Matériaux de lingénieur Généralités * Fabrication - ex.: le frittage * obtention de produits solides à partir dune poudre, sans quil y ait fusion * étapes de fabrication - mise en forme de la pièce par compaction de poudre - cuisson à haute température, à létat solide soudage des grains par diffusion à létat solide 5.3 Les céramiques * Microstructure - obtention dune structure plus ou moins poreuse

6 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Utilisation

7 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Fabrication - matière abondante et bon marché * argile * sablecuisson entre 850 et 1200°C * feldspaths - composition : silicates et silico-aluminates - structure : en partie cristalline, en partie vitreuse structure poreuse * Utilisation et caractéristiques - tableau 13.1 * Exemple - briques de bâtiments * argile + sable * résistance : 10 à 20 kPa * porosité : environ 25% A - Céramiques traditionnelles 5.3 Les céramiques

8 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Fabrication - matériaux plus technologiques que les céramiques traditionnelles contrôle des matières premières, de la composition, de la microstructure * Applications - abrasifs et outils de coupe * dureté, rigidité, etc. * ex.: les carbures (tableau 13.2) - électronique * ex.: isolants, semi-conducteurs - constructions mécaniques * ex.: fibres pour les matériaux composites moteur céramique B - Céramiques techniques 5.3 Les céramiques -meilleur rendement énergétique (combustion à des températures plus élevées) -élimination des circuits de refroidissement -légèreté (- 30% p/r à un moteur classique) -efficacité thermique de lordre de 50% (contre 30% pour les moteurs conventionnels) -réduction de 40% de la consommation

9 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Composition - éviter les impuretés la présence dimpuretés favorise lapparition de phases à bas point de fusion * Propriétés recherchées - pour les applications à haute température * Température de fusion élevée * Propriétés mécaniques acceptables à haute température * Conductibilité thermique faible * Inertie chimique importante * Utilisations - dans lindustrie métallurgique * fours délaboration * poches de coulée * fours de traitements thermiques C - Céramiques réfractaires 5.3 Les céramiques

10 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Particularité - les verres sont des solides amorphes * la cristallisation na pas le temps de se produire * augmentation de la viscosité du liquide jusquà sa solidification D - Les verres 5.3 Les céramiques

11 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Composition - formateurs de réseau * molécules formant la structure de base du matériau * ex.:la silice SiO 2 (tétraèdre de silice) lanhydride borique B 2 O 3 (pyrex) lanhydride phosphatique P 2 O 3 - modificateurs de réseau * oxydes métalliques qui modifient la structure des verres et leurs propriétés, en sinsérant dans le réseau vitreux * ex.: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, BaO D - Les verres 5.3 Les céramiques structure du verre

12 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Propriétés - optiques * transparence- pas de diffusion (structure amorphe) - absence de porosité - indice de réfraction constant * coloration (ajout doxydes métalliques) ex.:TiO 2 (blanc), Fe 2 O 3 (rouge) Aluminate de cobalt (bleu-vert) * exemple : fibre optique réflexion continuelle du faisceau lumineux entre le cœur de la fibre et sa gaine D - Les verres 5.3 Les céramiques

13 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Quest-ce quun béton ? - mélange de différents constituants * ciment * granulats (gravier et sable) * eau * additions et adjuvants - obtention dun matériau quon peut dabord mettre en place et qui durcit ensuite dans le temps - propriétés intéressantes * matériau résistant et bon marché * possibilité de mise en forme * Quelques chiffres - production * béton : près de15 milliards de tonnes par année, soit environ 2,5 tonnes (1m 3 ) par être humain * ciment : 1,5 milliard de tonnes E - Ciments et bétons 5.3 Les céramiques

14 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Quelques chiffres (suite) - applications (bétons courants) * bétons de solage : 20 MPa * bétons de bâtiments : 25 à 35 MPa - applications (bétons à hautes performances) * bétons de constructions : 40 à 100 MPa - applications (béton à très hautes performances) * bétons de poudres réactives : 200 MPa et + E - Ciments et bétons 5.3 Les céramiques

15 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Le ciment - fabrication * à partir de calcaire et dargile, on obtient, après cuisson, le clinker * le ciment est obtenu par broyage du clinker (après ajout de sulfates de calcium) E - Ciments et bétons 5.3 Les céramiques

16 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Le ciment - constituants E - Ciments et bétons 5.3 Les céramiques Silicates de calciumconstituants principaux Aluminates de calcium Sulfates de calcium (gypse) réaction - prise du ciment * les constituants du ciment réagissent avec leau pour fair prise hydratation du ciment Silicates de calcium + eau Ca(OH) 2 + C-S-H chaux éteinte C : CaO S : SiO 2 H : H 2 O silicates de calcium hydratés cest la colle du ciment 1 Aluminates de calcium + gypse + eau ettringite 2 clinker

17 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Le ciment - réaction dhydratation * présence deau indispensable au durcissement * réaction très exothermique - microstructure des produits dhydratation E - Ciments et bétons 5.3 Les céramiques chaux éteinteCa(OH) 2 (Portlandite) - maintient le pH élevé - faiblesse du ciment hydraté - très soluble - réagit avec les additions C-S-H - «colle» du ciment hydraté - structure très fine et mal cristallisée aiguilles : ettringite le reste : C-S-H

18 GCI Matériaux de lingénieur Types de céramiques * Le béton - propriétés mécaniques * le béton peut être utilisé pour sa masse (barrages) * ou pour des applications structurales E - Ciments et bétons 5.3 Les céramiques faiblesse du béton en traction (<10% p/r à R c ) traction compression propriétés mécaniques dun béton normal Note : plus le rapport pondéral eau/liant sera faible, plus la résistance du béton sera élevée.

19 GCI Matériaux de lingénieur * Le béton armé - utilisation de barres dacier noyées dans le béton frais * principalement dans les zones de tension (barres) et de fort cisaillement (arceaux) * pour compenser la faiblesse du béton en traction et limiter la fissuration Types de céramiques E - Ciments et bétons 5.3 Les céramiques poutre de béton armé armature longitudinale (flexion) armature transversale (cisaillement) + assurer une certaine ductilité

20 GCI Matériaux de lingénieur * Généralités - la dégradation des céramiques est généralement très lente (fortes liaisons : matériaux stables) - types de dégradation * mécanique : usure * chimique : dissolution par attaque à lacide; béton * Exemple : la dégradation du béton - les différentes formes de la dégradation du béton * attaque chimique (dissolution) * gel-dégel * action des sulfates * réaction alcali-granulats * corrosion des armatures Dégradation des céramiques Généralités et exemple 5.3 Les céramiques ces formes de dégradation seffectuent dune façon semblable - pénétration dun agent agressif - processus de réaction (chimique ou électrochimique) - formation dun produit dun volume supérieur à celui de ses constituants de base - éclatement du béton

21 GCI Matériaux de lingénieur Dégradation des céramiques Généralités et exemple * Exemple : la dégradation du béton (suite) - la réaction alcalis-granulats

22 GCI Matériaux de lingénieur * Exemple : la dégradation du béton (suite) - la corrosion des armatures Dégradation des céramiques Exemple 5.3 Les céramiques


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