Introduction à la science des matériaux/Applications des céramiques

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Céramiques électroniques

L'électronique est la principale débouchée des céramiques en volume. Les céramiques sont utilisées pour plusieurs fonctions ; on parle d'ailleurs fréquemment de « céramiques fonctionnelles ». Elles servent pour faire des composants passifs (R, L, C). Ce sont des poudres complexes, obtenues par chamottage, c'est-à-dire par réaction à haute température d'oxydes simples.

Céramiques diélectriques

Les céramiques diélectriques, c'est-à-dire isolantes, sont utilisées comme support de circuits (substrat, plaques de quelques dixièmes de millimètre d'épaisseur) ou comme boîtier. Elles sont en cela concurrencées par les polymères (plastiques).

Du fait de leur prix, elles sont réservées aux applications de pointe, lorsque la puissance dissipée est très élevée (résistance au claquage) ou que les conditions environnementales sont agressives (température, humidité). On utilise principalement de l'alumine (oxyde d'aluminium Al₂O₃), éventuellement associée à de la silice (oxyde de silicium, SiO₂) ou de la magnésie (oxyde de magnésium, MgO), ou éventuellement du nitrure d'aluminium (AlN).

Dans les condensateurs de forte capacité utilisés à fréquence élevée (jusqu'à 100 MHz), on utilise du titanate de baryum (BaTiO₃) comme diélectrique. On a des couches minces de diélectrique, une trentaine de micromètres, ce qui permet d’avoir des composants compacts.

Céramiques piézoélectriques

Principe de la piézoélectricité

La piézoélectricité, c’est lorsqu'une tension électrique crée une déformation d'un objet, ou à l'inverse lorsque la déformation crée une tension électrique. Si l’on considère le cristal céramique comme un cristal ionique, alors si le cristal n’est pas déformé, le barycentre des charges positives et au même endroit que le barycentre des charges négatives ; on a une neutralité électrique. Lorsque l’on déforme le cristal, les barycentres se décalent, ce qui crée une différence de potentiel. À l'inverse, si l’on établit une tension aux bornes du cristal, cela décale les barycentres et donc déforme le cristal.

Les cristaux piézoélectriques sont donc utilisés comme :

• actionneurs : ils permettent de faire des mouvements de faible amplitude mais très précis ;
• capteur : on peut détecter un mouvement, un effort.

Les applications sont multiples : sonars de sous-marins, cuves à ultrason, hauts-parleurs et microphones compact (appareils portables), micro-moteurs, pilotage des microscopes à effet tunnel, …

• 
  cristal piézoélectrique capteur
• 
  microphone piézoélectrique

Céramiques conductrices

Certaines céramiques sont semi-conductrices. On peut ainsi faire des composants qui sont isolants ou conducteurs selon les conditions :

• isolants lorsque la tension appliquée est faible, conducteurs lorsque l’on dépasse une « tension de claquage », par exemple pour protéger des circuits contre une surtension (oxyde de zinc ZnO) ;
• dont la résistance varie avec la température, ce qui permet de mesurer celle-ci (titanate de baryum BaTiO₃, manganite de nickel NiMn₂O₄).

Mentionnons ici les céramiques supraconductrices qui n'ont pas à proprement parler d'application en électronique (pour l'instant). Lorsqu'elles sont refroidies, leur résistance électrique devient nulle ; au-delà d'une certaine température, elles retrouvent une résistance électrique. Cela permet par exemple de réaliser des électroaimants très puissants utilisé dans la résonance magnétique nucléaire (RMN, IRM). Ces céramiques ont permis d’avoir des supraconducteurs à « haute température critique », c'est-à-dire que la température de transition est supérieure à la température de l'azote liquide, −196 °C… Les premières céramiques à haute température critique ont été découvertes en 1986. Ce sont essentiellement des cuprates comme l'oxyde mixte de baryum de cuivre et d'yttrium (YBCO, de formule YBa₂Cu₃O₇).

Céramiques magnétiques

Transformateurs utilisés en électronique ; les céramiques sont utilisées pour le noyau cylindrique ou torique

Ferrites (oxyde de fer) utilisées pour réduire les parasites électromagnétiques

Les oxydes de fer, ou ferrites, sont utilisées pour leur propriétés magnétiques :

• ferrites doux (perméabilité magnétique élevée, on peut retourner facilement le champ magnétique résiduel) :
  • dans les inductances,
  • dans les transformateurs,
  • dans les circulateurs : composant permettant d'orienter le signal émis ou reçu par une antenne, et ainsi d’avoir une antenne servant simultanément à l'émission et à la réception ;
• ferrites durs (le champs magnétique résiduel peut difficilement s'annuler) :
  • aimants permanents de moteurs électriques, de fermetures magnétiques,
  • matériau absorbant les micro-ondes.

Certaines céramiques (par exemple les oxydes mixtes de zirconium, étain et titane (Zr,Sn)TiO₄) permettent de faire des résonateurs de petites dimensions pour la détection d'ondes hyperfréquence, par exemple réception de télévision par satellite ou pour les téléphones portables.

Céramiques réfractaires

Fourneau électrique garni de briques réfractaires et d'un joint de fibres céramiques

Fourneau pour tester la résistance au feu des colonnes de structure ; on voit le garnissage réfractaire

Les réfractaires, c'est-à-dire les matériaux résistant à plus de 600 °C, sont le deuxième domaine le plus important des céramiques.

La première application est l'isolation thermique, la protection de pièces contre la chaleur. Ce sont les garnissages de fours et réacteurs, hauts-fourneaux, … pour les industries métallurgiques, cimentières, verrières, pétrochimiques, … On utilisait historiquement les argiles (aluminosilicates) et dolomies (carbonate de calcium et de magnésium CaMg(CO₃)₂) extraites de la terre (briques réfractaires en terre cuite). On utilise maintenant principalement des produits de synthèse, essentiellement de l'alumine (Al₂O₃), du carbure de silicium (SiC), de la manésie (MgO) et du zircon (ZrSiO₄).

Les réfractaires isolants sont livrés sous forme de briques ou de tuiles à assembler, ou sous forme de mortier à couler ou projeter. Il s'agit également de pièces statiques comme des brûleurs à gaz — les pièces en mouvement sont elles étudiées dans la partie Céramiques structurales et applications mécaniques.

On peut aussi utiliser les céramiques comme conducteur de chaleur, par exemple dans un échangeur thermique. Le carbure de silicium (SiC) par exemple présente une bonne conductivité thermique (λ = 125 W⋅m^-1⋅K^-1, meilleur conducteur que le fer et le nickel, moins bon que l'aluminium et le cuivre), on en fait donc des tubes et plaques d'échangeur.

Outre la tenue en température, les céramiques réfractaires doivent résister à leur environnement ; en effet, à haute température, tous les produits deviennent réactifs, de nombreuses réactions chimiques sont thermiquement activées et la diffusion d'éléments en phase solide, point capital des réactions en phase solide, est également activée. On a des phénomènes similaire à ceux décrits dans le chapitre sur la corrosion à chaud des métaux. On pense bien sûr à l'environnement gazeux — gaz de combustion, mais même le dioxygène de l'air est agressif à haute température —, mais aussi les matériaux fondu : sels fondus (provenant de l'air ou du combustible), eau liquide sous pression, verre (industrie verrière), métal (métallurgie).

Céramiques électrotechniques

Isolateur électrique

Isolateur utilisé pour la tendre des câbles

L'électrotechnique représente une des principales utilisations des céramiques en volume. Les céramiques sont utilisées comme isolants électriques, et ont permis le développement de l'électrotechnique de puissance. On utilise essentiellement de la stéatite (talc, pierre à savon) et de l'alumine.

Les céramiques sont concurrencées :

• par les polymères aux basses tensions ;
• par les verres aux hautes tensions.

Céramiques structurales et applications mécaniques

Du fait de leur fragilité, on ne peut pas utiliser les céramiques dans les applications soumises aux chocs. Leur point fort se situe dans :

• la grande rigidité spécifique ${\sqrt {\mathrm {E} /\rho }}$, qui permet d’avoir des pièces se déformant peu élastiquement et très légères (donc baisse du coût de manutention et de fonctionnement) ;
• la grande dureté, pour les applications de contact (frottement) ; on peut avoir un état de surface très bien maîtrisé et stable dans le temps ;
• la stabilité en température, en particulier résistance au fluage, pour les applications haute température.

On utilise principalement :

• alumine (Al₂O₃) : c’est la principale céramique utilisée ;
• les nitrures de silicium (Si₃N₄) : la maîtrise du procédé de frittage (HIP) permet de former des grains allongés au sein des grains « classiques », grains allongés qui jouent le rôle de « fibres de renforcement » ;
• carbure de silicium (SiC) ; le
• zircone, en général stabilisée à l'yttrium (Y-TZP, tetragonal zirconia polycristals) : excellente ténacité, mais présente une dégradation à basse température en milieu humide (dégradation hydrothermale ou LTD, low temperature degradation), qui pose problème par exemple pour les applications dentaires.

La zircone (ZrO₂) est utilisée pour renforcer d'autres céramiques (céramiques composites) :

• alumine renforcée par zircone (ZTA, zirconia toughened alumina) ;
• magnésie renforcée par zircone (Mg-PSZ, partially stabilized zirconia).

Dans les applications mécaniques, les céramiques viennent en remplacement d'un matériau, en général métallique, elles sont donc en concurrence. La mise en œuvre d'une céramique à la place d'un métal ne se fera donc que si les performances, en général en termes d'augmentation de la cadence de production, de réduction de la consommation d'énergie et de diminution de la maintenance, justifie le surcoût de la pièce. Par ailleurs, en raison des impératifs de fiabilité, le développement des applications est en général long, plus d'une dizaine d'années.

On peut classer les applications selon le domaine de température. Curieusement, c’est aux basses températures que l’on utilise le plus de céramiques.

Basse température (≤ 500 °C)

Prothèse de hanche : tête céramique et cupule en polyéthylène

Bridge dentaire

Pièces de roulement en nitrure de silicium

Rubis d'horlogerie

Gilet pare-balles avec plaques de céramiques à insérer (en bas à gauche)

Plaquettes de robinet mitigeur

La position des plaquettes règle le débit relatif eau chaude/eau froide (arrivée par les triangles du haut) ainsi que le débit total (sortie par le rectangle du bas). Le contact entre plaquettes est étanche, supprimant le recours aux joints

Les propriétés de surface des céramiques permettent d'atteindre un excellent état de surface : tolérance de sphéricité de quelques dizaines de nanomètres (quelques centièmes de micromètres) pour une bille de 2 mm de diamètre, et une rugosité de quelques nanomètres. On réduit donc considérablement l'usure de la pièce antagoniste, ce qui est capital dans le cas des prothèses : on peut envisager d'implanter une prothèse à vie sur une personne jeune. Dans le cas d'une prothèse de hanche par exemple, on crée une liaison rotule composée d'une tête sphérique de zircone (remplaçant la tête du fémur) pivotant dans une cupule en polyéthylène. La stabilité chimique (absence de dégradation dans le corps humain) et la biocompatibilité (pas de réaction de rejet de la part de l'organisme) sont également primordiaux.

On utilise également fréquemment des nitrures de silicium pour des roulements à billes ; ce sont en général des roulements hybrides (billes céramiques, bagues métalliques). La grande rigidité permet de réduire la résistance au roulement : celle-ci est provoquée par la déformation, « l'écrasement » de la matière qui nécessite de franchir le « bourrelet de matière ». On peut donc réduire la lubrification voire de la supprimer, ce qui est intéressant par exemple pour les roulettes de dentistes qui doivent supporter la stérilisation, ou pour les pompes à vide (le lubrifiant étant un « polluant du vide »).

On utilise également des paliers lisses (coussinets) en céramiques, ainsi que des garnitures de pompes (joints dynamiques). L'utilisation de paliers lisses en céramiques remonte au début du XVIII^e siècle avec les rubis d'horlogerie, le rubi étant un monocristal d'alumine (Al₂O₃).

La réduction de masse permet de réduire l'inertie. Moins d'inertie et moins de résistance au roulement ou au pivotement, on a donc un couple de démarrage plus faible et une économie d'énergie en fonctionnement. Par exemple pour les disques durs, on utilise des supports en céramiques non magnétiques.

On a en outre un excellent résistance à la fatigue et à la corrosion. Ce dernier point permet l’utilisation dans des environnement agressifs (aérospatiale, procédés chimiques).

Dans le domaine de l'usinage, les outils de coupe sont maintenant quasiment tous en céramiques, essentiellement carbure de tungstène (WC) ; les outils en acier rapide ne sont quasiment plus utilisés, mise à part pour les forets. On a en général un porte-outil métallique sur lequel on vient fixer des plaquettes de carbure, mais les outils de petite taille peuvent être entièrement en céramiques (carbure monobloc). Cela permet d'atteindre des vitesses de coupe très élevées, donc de gagner en temps d'usinage, pour une usure de l'outil réduite, donc temps de maintenance réduit. Ceci compense largement le surcoût du matériel. Notons que les températures atteintes en cours d'usinage peuvent être importantes, le classement en « basse température » vient du fait que la température environnante est la température « normale ». La dilatation est faible, ce qui permet d'améliorer la précision de l'usinage (l'outil ne se dilate pas avec l'échauffement).

On utilise également des outils céramique pour l'emboutissage. Outre les avantages déjà cités (stabilité dimensionnelle, faible usure, pas de collage avec la matière), on a un allègement des pièces mobiles (−30 % par rapport à un outil métallique). On atteint ainsi des cadences de production plus élevées avec un coût de maintenance réduit : la durée de vie est multipliée par 2 ou 3 par rapport à un outil métallique.

Si le moteur céramique n'a jamais abouti, de nombreuses pièces de moteur sont maintenant en céramique, comme les joints de pomper à eau, les patins de culbuteur.

Certains blindage de véhicules et gilets pare-balles utilisent des plaques de céramique (SAPI : small arms protective insert) en carbure de bore (B₄C) et carbure de silicium (SiC). Ces tuiles et plaques permettent d'arrêter des munition de calibre supérieur aux fibres de Kevlar qui constituent le blindage de base.

Dans le domaine domestique, les vitrocéramiques sont largement utilisées pour les plaques de cuisson. Les différentes phases de la plaque ont des coefficients de dilatation différents, certains positifs, certains négatifs, ce qui permet d’avoir au final un coefficient de dilatation nul. La plaque a également une faible conductivité thermique (elle n'évacue pas la chaleur vers l'intérieur) et est bien transparente aux infrarouges (foyers halogènes). Les vitrocéramiques ont été initialement développées pour les miroirs astronomiques. On utilise principalement des oxydes de lithium, aluminium et silicium (LAS : Li₂O⋅Al₂O₃⋅nSiO₂).

Citons enfin les applications liées à l'eau, en particulier les robinets à mitigeur en alumine, pour cuisine ou salle de bain, dans lesquels les pièces céramique ont supprimé l’utilisation de joint. Les tables d'aspiration utilisées dans l’industrie papetière, pour aspirer l'eau de la pâte à papier et permettre une séchage rapide, sont également en céramique. Les conduits d'évacuation des eaux usées (égouts) sont fréquemment en grès vitrifié, qui présente de nombreux avantages par rapport au béton : étanchéité, résistance à l'usure, résistance à la corrosion, poli de surface (moins de pertes de charge), durée de vie, …

Moyennes températures (500 à 1 000 °C)

Les applications à moyenne températures concernent essentiellement les parties chaudes des moteurs thermiques. Les céramiques sont utilisées pour les soupapes (nitrure d'aluminium, ou bien sialon : oxynitrure de silicium et d'aluminium) et les roues de turbocompresseur ; on envisage son utilisation pour les injecteurs à haute pression. La réduction de l'inertie et l'amélioration des propriétés de contact permet une réduction de la consommation (3 à 7 %en 1995) et du bruit (-10 à 15 dB en 1995). La résistance à la corrosion de ces pièces permet de s'adapter à divers type de carburant, en particulier le méthanol.

On retrouve aussi des céramiques dans des parties non mécaniques de la voiture : isolation de l'échappement, pot catalytique, filtre à particules.

Hautes températures (≥ 1 000 °C)

Certaines partie du moteur thermique évoquées ci-dessus peuvent se retrouver dans ce domaine. On y trouve également les chambres de précombustion.

Les céramiques s'utilisent également pour les moteurs à turbine (aéronautique, turbines industrielles), avec comme conséquence un allègement et une maintenance réduite. L'allègement est dû au fait que la pièce est plus légère (faible masse volumique), mais aussi au fait que l’on n'a pas besoin de la refroidir (gain d'un circuit de refroidissement).

Les céramiques permettent également d'augmenter la température d’utilisation, et donc le rendement de la turbine.

On utilise principalement du nitrure de silicium. Soit on a des aubes de turbine céramique sur un stator ou un rotor métallique, soit un rotor céramique monobloc.

Support de catalyseur

Du fait de leur stabilité chimique, les céramiques sont utilisées comme support de catalyseur, pour la catalyse hétérogène (catalyseur solide, réactants liquides ou gazeux) : elles n'interfèrent pas avec la réaction chimique. Le catalyseur est alors déposé en couche mince sur la céramique. Afin d’avoir une grande surface de contact avec le milieu, la céramique est sous forme de poudre, de fritté poreux ou de pièce massive de forme complexe (nid d'abeille).

En effet, comme la réaction chimique se fait à la surface du catalyseur, il faut la plus grande surface de contact possible, pour le moins de matériau possible en raison du coût du catalyseur (fréquemment du platine, du palladium, du rhodium). Un matériau très fin n'aurait pas de tenue mécanique suffisante, raison pour laquelle on le dépose sur un support inerte.

Applications optiques

Plaque de cuisson vitrocéramique, laissant passer les infrarouges mais conduisant mal la chaleur

Les oxydes métalliques ont été utilisés très tôt pour colorer les poteries. De nos jours, ils permettent d’avoir des encres stables à haute température (marquage de pièces par exemple).

On peut aussi exploiter l'émission de lumière. Les oxydes de terres rares sont utilisés pour les lampes à fluorescence (tubes de néon, ampoules fluocompactes dite « à basse consommation », diodes) et pour les luminophores des téléviseurs. Cela permet d’avoir diverses couleurs, et pour les éclairages d'ambiance, d’avoir une lumière « chaude ». Ce sont aussi des manchons imprégnés d'oxydes de terres rares (manchon Auer) qui émettent la lumière blanche des lampes à gaz utilisées en camping ou d'anciens bec de gaz (éclairage public).

Pour les diodes, on utilise par exemple du carbure de silicium (SiC) pour le bleu ou le nitrure d'aluminium (AlN) pour des ultraviolets. Pour les luminophores rouges des tubes cathodiques, on utilise de l'oxyde d'yttrium (Y₂O₃).

Les céramiques permettent également de faire des fenêtres transparentes dans de larges domaines, des infrarouges aux micro-ondes. Notons l'oxyde d'indium dopé au titane (ITO, induim tin oxide), un composé conducteur et transparent utilisé pour les écrans de télévision à cristaux liquides, et les plaques vitrocéramiques transparentes aux infrarouges (plaques de cuisson).

Combustible nucléaire

Pastilles de combustible nucléaire

Le combustible nucléaire se présente sous forme céramique : oxyde d'uranium (UO₂) ou mélange d'oxydes d'uranium et de plutonium (mox, UO₂ et PuO₂). La forme d'oxyde a été choisie en raison de son inertie chimique, y compris à haute température et en contact avec de l'eau.

Voir aussi

• « Dossier : Céramiques industrielles et réfractaires », Mines, revue des ingénieurs, Intermines (Paris), n^o  357, juillet 1995, p. 29-65 (ISSN 0150-7516)