Les différents types de matériaux Partie 5 Plan Des Matériaux Section 8.6 chapitre 13 sauf 13.1.2 Sauf 13.5.3 et 13.6 Plan 5.3 Les céramiques (Rappels) 5.3.1 Généralités 5.3.2 Types de céramiques A - Traditionnelles B - Techniques C - Réfractaires D - Verres E - Ciments et bétons 5.3.3 Dégradation des céramiques

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

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

Rappels Propriétés (suite) - mécaniques 5.3 Les céramiques - physiques Amélioration de la ténacité - physiques conductibilité thermique conductivité électrique isolant semi-conducteur

5.3 Les céramiques 5.3.1 Généralités Fabrication - ex.: le frittage * obtention de produits solides à partir d’une poudre, sans qu’il y ait fusion * étapes de fabrication - mise en forme de la pièce par compaction de poudre - cuisson à haute température, à l’état solide ® soudage des grains par diffusion à l’état solide Microstructure - obtention d’une structure plus ou moins poreuse

5.3.2 Types de céramiques Utilisation

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques A - Céramiques traditionnelles Fabrication - matière abondante et bon marché * argile * sable cuisson 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%

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques B - Céramiques techniques 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 - 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 l’ordre de 50% (contre 30% pour les moteurs conventionnels) - réduction de 40% de la consommation

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques C - Céramiques réfractaires Composition - éviter les impuretés ® la présence d’impuretés favorise l’apparition 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 l’industrie métallurgique * fours d’élaboration * poches de coulée * fours de traitements thermiques

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques D - Les verres Particularité - les verres sont des solides amorphes * la cristallisation n’a pas le temps de se produire * augmentation de la viscosité du liquide jusqu’à sa solidification

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques D - Les verres Composition - formateurs de réseau * molécules formant la structure de base du matériau * ex.: la silice SiO2 (tétraèdre de silice) l’anhydride borique B2O3 (pyrex) l’anhydride phosphatique P2O3 - modificateurs de réseau * oxydes métalliques qui modifient la structure des verres et leurs propriétés, en s’insérant dans le réseau vitreux * ex.: Na2O, K2O, CaO, MgO, BaO structure du verre

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques D - Les verres Propriétés - optiques * transparence - pas de diffusion (structure amorphe) - absence de porosité - indice de réfraction constant * coloration (ajout d’oxydes métalliques) ex.: TiO2 (blanc), Fe2O3 (rouge) Aluminate de cobalt (bleu-vert) * exemple : fibre optique ® réflexion continuelle du faisceau lumineux entre le cœur de la fibre et sa gaine

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques E - Ciments et bétons Qu’est-ce qu’un béton ? - mélange de différents constituants * ciment * granulats (gravier et sable) * eau * additions et adjuvants - obtention d’un matériau qu’on peut d’abord 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 (1m3) par être humain * ciment : 1,5 milliard de tonnes

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques E - Ciments et bétons 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 +

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques E - Ciments et bétons Le ciment - fabrication * à partir de calcaire et d’argile, on obtient, après cuisson, le clinker * le ciment est obtenu par broyage du clinker (après ajout de sulfates de calcium)

5.3.2 Types de céramiques Le ciment - constituants 5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques E - Ciments et bétons Le ciment - constituants Silicates de calcium constituants principaux Aluminates de calcium Sulfates de calcium (gypse) réaction clinker - prise du ciment * les constituants du ciment réagissent avec l’eau pour fair prise ® hydratation du ciment Silicates de calcium + eau ® Ca(OH)2 + C-S-H chaux éteinte C : CaO S : SiO2 H : H2O silicates de calcium hydratés c’est la colle du ciment 1 Aluminates de calcium + gypse + eau ® ettringite 2

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques E - Ciments et bétons Le ciment - réaction d’hydratation * présence d’eau indispensable au durcissement * réaction très exothermique - microstructure des produits d’hydratation chaux éteinte Ca(OH)2 (Portlandite) - maintient le pH élevé - faiblesse du ciment hydraté - très soluble - réagit avec les additions aiguilles : ettringite le reste : C-S-H C-S-H - «colle» du ciment hydraté - structure très fine et mal cristallisée

5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques E - Ciments et bétons Le béton - propriétés mécaniques * le béton peut être utilisé pour sa masse (barrages) * ou pour des applications structurales propriétés mécaniques d’un béton normal traction compression faiblesse du béton en traction (<10% p/r à Rc) Note : plus le rapport pondéral eau/liant sera faible, plus la résistance du béton sera élevée.

+ assurer une certaine ductilité 5.3 Les céramiques 5.3.2 Types de céramiques E - Ciments et bétons Le béton armé - utilisation de barres d’acier 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 + assurer une certaine ductilité poutre de béton armé armature transversale (cisaillement) armature longitudinale (flexion)

5.3.3 Dégradation des céramiques 5.3 Les céramiques 5.3.3 Dégradation des céramiques Généralités et exemple Généralités - la dégradation des céramiques est généralement très lente (fortes liaisons : matériaux stables) - types de dégradation * mécanique : usure * chimique : dissolution par attaque à l’acide; 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 ces formes de dégradation s’effectuent d’une façon semblable - pénétration d’un agent agressif - processus de réaction (chimique ou électrochimique) - formation d’un produit d’un volume supérieur à celui de ses constituants de base - éclatement du béton

5.3.3 Dégradation des céramiques Généralités et exemple Exemple : la dégradation du béton (suite) - la réaction alcalis-granulats

5.3.3 Dégradation des céramiques 5.3 Les céramiques 5.3.3 Dégradation des céramiques Exemple Exemple : la dégradation du béton (suite) - la corrosion des armatures