Les céramiques spéciales, également appelées céramiques fines, sont des matériaux inorganiques non métalliques fabriqués à partir de matières premières inorganiques non métalliques de haute pureté grâce à des procédés de formage et de frittage précis. Contrairement aux céramiques traditionnelles, elles n'utilisent pas de minéraux naturels comme l'argile comme matières premières principales. Reposant plutôt sur des matières premières de haute pureté synthétisées artificiellement et sur des technologies de fabrication avancées, elles occupent une place irremplaçable dans les domaines de l'industrie moderne et des sciences et technologies.
Les céramiques spéciales se classent en de nombreuses catégories selon leur composition chimique : céramiques d’oxyde (alumine, zircone, etc.), céramiques de nitrure (nitrure de silicium, nitrure d’aluminium, etc.), céramiques de carbure (carbure de silicium, carbure de bore, etc.), céramiques de borure (borure de zirconium, borure de lanthane, etc.), ainsi que céramiques composites composées de plusieurs matériaux et cermets contenant des métaux. Selon leurs applications, on distingue deux grandes catégories : les céramiques structurales composites à haute résistance et haute température, et les céramiques fonctionnelles pour applications électriques et électroniques.
Des composants résistants aux hautes températures dans l'aérospatiale aux boîtiers de puces et aux éléments de capteurs dans l'industrie électronique ; des composants de piles à combustible dans le secteur de l'énergie aux articulations artificielles et aux matériaux de restauration dentaire dans le domaine biomédical, les céramiques spéciales sont omniprésentes. Tel un héros méconnu, elles contribuent discrètement au progrès de la science et de la technologie modernes et transforment nos vies.
Céramiques d'alumine : propriétés et applications
(1) Caractéristiques de performance
Les céramiques d'alumine, dont l'alumine (Al₂O₃) est le composant principal, occupent une place importante dans le domaine des céramiques spéciales grâce à leurs performances exceptionnelles. Leur dureté extrêmement élevée (HRA 80-90 sur l'échelle de Rockwell), surpassée seulement par celle du diamant, leur confère des performances remarquables dans les applications exigeant une résistance à l'usure optimale. Lors des tests de résistance à l'usure, ces céramiques se révèlent 266 fois plus résistantes que l'acier au manganèse et 171,5 fois plus résistantes que la fonte à haute teneur en chrome. Dans les mêmes conditions d'utilisation, elles permettent de multiplier par dix, voire davantage, la durée de vie des équipements.
La densité de la céramique d'alumine est d'environ 3,8 g/cm³, soit seulement la moitié de celle de l'acier, ce qui réduit considérablement la charge sur les équipements. Elle présente également une excellente stabilité chimique, résistant à la corrosion par des produits chimiques tels que les acides et les bases forts, ce qui lui confère de nombreuses applications dans les environnements corrosifs comme l'industrie chimique. Sa résistance aux hautes températures est également remarquable : elle peut supporter des températures allant jusqu'à 1 600 °C, voire plus, et peut être utilisée comme revêtement pour les fours à haute température et comme matériau réfractaire.
(2) Domaines d'application
Dans le domaine de la mécanique, grâce à sa dureté et sa résistance à l'usure élevées, la céramique d'alumine est utilisée pour la fabrication d'outils de coupe, de roulements, de joints d'étanchéité, etc. La vitesse de coupe des outils en céramique d'alumine est supérieure à celle des outils classiques en carbure cémenté, ce qui améliore considérablement l'efficacité de coupe. Les outils de coupe en céramique composite Al₂O₃ permettent également l'usinage de divers matériaux tels que l'acier trempé et l'acier allié.
Dans le domaine de l'électronique et de l'énergie électrique, les céramiques d'alumine sont largement utilisées. Elles présentent de bonnes propriétés d'isolation et de conductivité thermique, et peuvent être transformées en substrats, plaquettes, films, céramiques transparentes et dispositifs isolants, etc. Par exemple, les substrats en céramique d'alumine, grâce à leur haute résistance mécanique, leurs bonnes propriétés d'isolation et leur fort pouvoir de protection contre la lumière, sont fréquemment utilisés dans les substrats multicouches pour le câblage, le boîtier électronique et les substrats pour boîtiers haute densité.
Dans l'industrie chimique, les céramiques d'alumine peuvent être utilisées pour fabriquer les revêtements de cuves de réaction, de canalisations, de vannes, etc. Grâce à leur stabilité chimique et à leur résistance à la corrosion, elles peuvent résister à l'érosion causée par divers milieux chimiques, assurant ainsi le fonctionnement sûr et stable de la production chimique.
Céramiques de zircone : propriétés et applications
(1) Caractéristiques de performance
Les céramiques de zircone, dont le zircone (ZrO₂) est le composant principal, présentent d'excellentes performances. Elles possèdent une dureté relativement élevée, de l'ordre de 7 à 8 sur l'échelle de Mohs, et offrent une résistance à l'usure exceptionnelle. Dans les mêmes conditions de frottement, l'usure des céramiques de zircone est dix fois inférieure à celle des matériaux métalliques ordinaires.
Sa ténacité est également remarquable, avec une résistance à la rupture de 7 à 15 MPa·m¹/², bien supérieure à celle des céramiques ordinaires. Elle résiste efficacement à la propagation des fissures et est très difficile à briser. Sa résistance à l'usure est excellente, plus de 200 fois supérieure à celle de l'acier inoxydable, ce qui lui confère des avantages considérables dans les environnements soumis à une forte usure.
Les céramiques de zircone possèdent également de bonnes propriétés isolantes. Elles constituent d'excellents isolants à température ambiante et répondent aux exigences d'isolation dans les domaines électronique et électrique. Leur résistance aux hautes températures est également remarquable, avec un point de fusion atteignant 2 700 °C, ce qui leur permet d'être utilisées de manière stable dans des environnements à haute température.
(2) Champ d'application
Dans le domaine des céramiques structurales, la céramique de zircone est fréquemment utilisée pour la fabrication d'outils de coupe, de paliers, de vannes, etc. Les outils de coupe en céramique de zircone sont tranchants et durables, offrant d'excellentes performances de coupe. Ils permettent d'usiner divers matériaux difficiles à usiner et sont inertes au contact alimentaire ; ils peuvent ainsi être utilisés pour la fabrication de couteaux de table, de lames chirurgicales, etc. Les paliers en céramique de zircone présentent une résistance élevée aux hautes températures, à la corrosion et à l'usure, et sont largement utilisés dans les équipements de haute précision et à grande vitesse.
En matière de céramiques fonctionnelles, les céramiques de zircone peuvent être utilisées pour fabriquer des capteurs d'oxygène, des électrodes de piles à combustible à oxyde solide, etc. Les capteurs d'oxygène, grâce à leurs caractéristiques de conduction des ions oxygène, permettent de détecter rapidement et précisément la teneur en oxygène dans l'environnement et sont largement utilisés dans des domaines tels que la détection des gaz d'échappement automobiles et le contrôle de la combustion industrielle.