Histoire et concept du développement des matériaux céramiques

Les matériaux céramiques modernes constituent une nouvelle catégorie de céramiques, dérivées des céramiques traditionnelles et utilisant des procédés spéciaux. Leurs caractéristiques distinctives les différencient nettement des céramiques traditionnelles. Elles dépassent largement le concept et le champ d'application de ces dernières. Fruit de technologies de pointe, les matériaux céramiques représentent ainsi un domaine à la fois ancien et actuel.

Les matériaux dits céramiques modernes sont des matériaux inorganiques non métalliques. Ils constituent l'une des trois grandes catégories de matériaux modernes, aux côtés des métaux et des matériaux organiques. Cette appellation désigne également, de manière générale, tous les matériaux à l'exception des métaux et des matériaux organiques. Ce chapitre traite des matériaux céramiques modernes, ou matériaux inorganiques non métalliques modernes.

Les matériaux céramiques modernes sont associés à la haute technologie. Comparés aux matériaux traditionnels, ils présentent principalement les trois caractéristiques suivantes :

(1) Fondé sur les exigences du développement scientifique et technologique modernePMIl s'agit du produit du développement des sciences et technologies modernes et d'un produit de haute technologie.

(2) Le processus de fabrication est complexe et nécessite l'apport des avancées scientifiques et technologiques modernes. Il s'agit donc d'un produit à forte intensité de connaissances techniques.

(3) Il possède d'excellentes propriétés spéciales et peut répondre aux exigences des industries commerciales et des nouvelles technologies.

Classification des matériaux céramiques

Avec le développement de la production, des sciences et des technologies, la variété des matériaux et produits céramiques ne cesse de croître. Afin de faciliter la compréhension des caractéristiques de ces différents matériaux et produits, on procède généralement à une classification selon divers critères.

1. Classification selon la composition chimique

(1) Céramiques d'oxyde. Il existe de nombreux types de céramiques d'oxyde, qui occupent une place très importante dans la famille des céramiques. Les plus couramment utilisées Les céramiques d'oxyde comprennent Al₂O₃, SiO₂, MgO, ZrO₃, CeO₂, CaO, Cr₂O₃, la mullite (3Al₂O₃.2SiO₄) et le spinelle (MgAl₂O₃), etc.L'Al₂O₃ et le SiO₂ sont aussi largement utilisés dans les céramiques que l'acier et les alliages d'aluminium dans les matériaux métalliques. Certaines céramiques d'oxydes sont répertoriées dans le tableau 11.1. Les silicates, comme le ZrSiO₄, appartiennent également à la série des oxydes. On trouve aussi dans cette catégorie des oxydes composites tels que le BaT et le CgyiO.

Les matériaux céramiques sont classés selon leur composition chimique.

(2) Céramiques de carbure. Les céramiques de carbure ont généralement un point de fusion plus élevé que les oxydes. Les plus couramment utilisées sont SiC, SC, Phoenix C, TIC, etc. Les céramiques de carbure doivent être fabriquées sous atmosphère protectrice.

(3) Céramiques amides. Le chlorure le plus couramment utilisé est l'a-ji, qui présente d'excellentes propriétés mécaniques globales et une grande résistance aux hautes températures. De plus, les applications des céramiques nitrurées TZN, BN et Al se généralisent. Le C3N4, apparu récemment, devrait offrir des performances supérieures à celles du Si3O4.

(4) Quatre céramiques chimiques. Les applications des céramiques borurées sont relativement peu nombreuses. Elles sont principalement utilisées comme additifs profonds ou secondes phases ajoutées à d'autres matrices céramiques pour en améliorer les performances. Parmi les plus couramment utilisées, on trouve le titane, le zirconium, etc.

2. Classification selon les performances et l'utilisation

(1) Céramiques structuralesLes céramiques structurales sont utilisées comme matériaux de structure pour la fabrication de pièces. Leurs propriétés mécaniques sont principalement mises à profit : résistance, ténacité, dureté, module d'élasticité, résistance à l'usure, résistance aux hautes températures (résistance à haute température, résistance aux chocs thermiques, résistance à l'ablation), etc. La plupart des quatre types de céramiques classés selon leur composition nucléochimique mentionnés précédemment sont des céramiques structurales. Les céramiques AjZQ, 3N4 et ZX sont des exemples représentatifs de matériaux céramiques structurales aux propriétés mécaniques supérieures.

(2) Céramiques fonctionnelles. Les céramiques fonctionnelles sont utilisées comme matériaux fonctionnels pour la fabrication de dispositifs fonctionnels, principalement grâce à leurs propriétés physiques telles que les propriétés électromagnétiques, thermiques, optiques, biologiques, etc. Par exemple, la ferrite. Les céramiques ferroélectriques sont principalement utilisées pour leurs propriétés électromagnétiques. Elles servent à fabriquer des composants électromagnétiques ; les céramiques diélectriques servent à fabriquer des condensateurs et les céramiques piézoélectriques, des capteurs de déplacement ou de pression. Les céramiques à électrolyte solide peuvent être utilisées pour fabriquer des détecteurs d’oxygène grâce à leurs propriétés de transfert d’ions. Les biocéramiques servent à fabriquer des os et des dents artificiels. Les matériaux supraconducteurs et les fibres optiques appartiennent également à la catégorie des céramiques fonctionnelles.

Il convient de préciser que la classification ci-dessus est également relative. Plutôt que d'être absolue, la frontière entre céramiques structurales et céramiques fonctionnelles est parfois floue. Certains matériaux céramiques appartiennent aux deux catégories. C'est le cas des céramiques piézoélectriques. Bien qu'elles puissent être classées comme céramiques fonctionnelles, elles doivent répondre à certaines exigences en matière de propriétés mécaniques, telles que la résistance, la ténacité, la dureté et le module d'élasticité. Elles doivent notamment présenter une résistance suffisante pour résister aux forces électriques et ainsi garantir les caractéristiques piézoélectriques classiques. Par ailleurs, certaines céramiques, comme les céramiques structurales haute température ou les céramiques résistantes aux chocs thermiques et au feu utilisées dans les pièces étanches des engins spatiaux, appartiennent à la catégorie des céramiques structurales.

Cependant, la résistance à la dilatation thermique ne dépend pas uniquement de la résistance, de la ténacité et du module d'Young du matériau. La conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique, tout comme ses propriétés mécaniques, ont également un impact considérable sur la résistance aux chocs thermiques. La résistance à la corrosion est une performance essentielle des céramiques chimiques (telles que les pompes résistantes aux acides), mais celles-ci doivent présenter certaines propriétés mécaniques pour répondre aux exigences industrielles. Les matériaux supraconducteurs sont difficiles à transformer en fils en raison de leur forte teneur en matières grasses.

Par conséquent, son application pratique est encore impossible. En résumé, qu'il s'agisse de céramiques structurales ou fonctionnelles, les propriétés mécaniques constituent les propriétés fondamentales des matériaux céramiques. Simplement, les exigences en matière de propriétés mécaniques varient selon les applications.

Ce chapitre traite principalement des céramiques structurales.

Avantages de la céramique

1. Caractéristiques de performance des matériaux céramiques

Comme chacun sait, les liaisons chimiques des matériaux métalliques (or pur ou alliages) sont majoritairement métalliques. Elles sont composées d'atomes métalliques chargés positivement et de nuages ​​électroniques. Les liaisons métalliques sont non directionnelles. Par conséquent, les métaux présentent de bonnes propriétés de déformation plastique. Quant aux céramiques, qui ne contiennent aucun composé non métallique, leurs propriétés chimiques sont supérieures à celles des liaisons covalentes. Ces liaisons présentent une forte directionnalité et une énergie de liaison élevée. De ce fait, les matériaux céramiques ont des difficultés à subir une déformation plastique. Leur grande fragilité et leur forte sensibilité à la fissuration constituent leur principal point faible. Cependant, c'est précisément grâce à ce type de liaison chimique que les céramiques structurales possèdent des propriétés particulières supérieures à celles des matériaux métalliques.

① Sa dureté élevée détermine son excellente résistance à l'usure ;

②Point d'inflammation élevé. Il a été déterminé qu'il possède une résistance à la chaleur exceptionnelle ;

③ Haute stabilité chimique. Cela lui confère une bonne résistance à la corrosion.

Bien que les matériaux céramiques présentent d'excellents avantages, leur principal inconvénient – ​​la fragilité – limite leurs performances et leurs applications pratiques. C'est pourquoi le renforcement des céramiques est devenu un sujet central de la recherche sur les matériaux céramiques, suscitant un intérêt mondial (voir la section sur le renforcement des céramiques pour plus de détails).

2. Comparaison entre la céramique moderne (avancée) et la céramique traditionnelle

La céramique moderne comparée à la céramique traditionnelle. Il existe des différences significatives au niveau de la composition des matières premières, du procédé de fabrication, de la structure organisationnelle et des performances.

Comparaison entre la céramique traditionnelle et la céramique moderne