GCI Matériaux de l’ingénieur Des Matériaux Section 8.6 chapitre 13 sauf Sauf et 13.6 Partie 5 Les différents types de matériaux Plan.

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1 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 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 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

2 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 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 116 - Matériaux de l’ingénieur * 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 116 - Matériaux de l’ingénieur * Propriétés (suite) - mécaniques Rappels 5.3 Les céramiques Amélioration de la ténacité conductibilité thermique - physiques isolantsemi-conducteur conductivité électrique

5 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 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 5.3 Les céramiques * Microstructure - obtention d’une structure plus ou moins poreuse

6 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 Types de céramiques * Utilisation

7 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 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 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 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 l’ordre de 50% (contre 30% pour les moteurs conventionnels) -réduction de 40% de la consommation

9 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 Types de céramiques * 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 C - Céramiques réfractaires 5.3 Les céramiques

10 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 Types de céramiques * 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 D - Les verres 5.3 Les céramiques

11 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 Types de céramiques * Composition - formateurs de réseau * molécules formant la structure de base du matériau * ex.:la silice SiO 2 (tétraèdre de silice) l’anhydride borique B 2 O 3 (pyrex) l’anhydride phosphatique P 2 O 3 - modificateurs de réseau * oxydes métalliques qui modifient la structure des verres et leurs propriétés, en s’insérant 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 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 Types de céramiques * Propriétés - optiques * transparence- pas de diffusion (structure amorphe) - absence de porosité - indice de réfraction constant * coloration (ajout d’oxydes 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 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 Types de céramiques * 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 (1m 3 ) par être humain * ciment : 1,5 milliard de tonnes E - Ciments et bétons 5.3 Les céramiques

14 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 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 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 Types de céramiques * 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) E - Ciments et bétons 5.3 Les céramiques

16 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 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 l’eau 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 c’est la colle du ciment 1 Aluminates de calcium + gypse + eau  ettringite 2 clinker

17 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 Types de céramiques * Le ciment - réaction d’hydratation * présence d’eau indispensable au durcissement * réaction très exothermique - microstructure des produits d’hydratation 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 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.2 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 d’un béton normal Note : plus le rapport pondéral eau/liant sera faible, plus la résistance du béton sera élevée.

19 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur * 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 5.3.2 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 116 - Matériaux de l’ingénieur * 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 5.3.3 Dégradation des céramiques Généralités et exemple 5.3 Les céramiques 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

21 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur 5.3.3 Dégradation des céramiques Généralités et exemple * Exemple : la dégradation du béton (suite) - la réaction alcalis-granulats

22 GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur * Exemple : la dégradation du béton (suite) - la corrosion des armatures 5.3.3 Dégradation des céramiques Exemple 5.3 Les céramiques