Céramiques d'alumine et céramiques de zircone
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 matière première principale. S'appuyant sur des matières premières de haute pureté synthétisées artificiellement et des technologies de préparation avancées, elles occupent une place essentielle dans l'industrie, la science et la technologie modernes.
Les céramiques spéciales se divisent en une grande variété de types selon leur composition chimique, notamment les céramiques oxydées (alumine, zircone, etc.), les céramiques nitrurées (nitrure de silicium, nitrure d'aluminium, etc.), les céramiques carbures (carbure de silicium, carbure de bore, etc.), les céramiques borurées (borure de zirconium, borure de lanthane, etc.), ainsi que les céramiques composites composées de plusieurs composés et les cermets avec ajout de métaux. Selon leurs applications, elles se répartissent en deux catégories : les céramiques structurales composites à haute résistance et haute température, et les céramiques fonctionnelles électriques et électroniques.
Des composants résistants aux hautes températures dans l'aérospatiale aux boîtiers de puces et aux capteurs de l'électronique ; des composants de piles à combustible dans le secteur de l'énergie aux prothèses articulaires et aux matériaux de restauration dentaire dans le domaine biomédical ; les céramiques spéciales sont omniprésentes. Véritables héros méconnus, elles contribuent silencieusement 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 excellentes performances. Leur dureté extrêmement élevée, avec une dureté Rockwell de HRA80-90, la surpassant seulement après le diamant, leur confère d'excellentes performances dans les applications résistantes à l'usure. Lors des tests de résistance à l'usure, la résistance de la céramique d'alumine est 266 fois supérieure à celle de l'acier au manganèse et 171,5 fois supérieure à celle de la fonte à haute teneur en chrome. Dans les mêmes conditions d'utilisation, elles peuvent multiplier par dix la durée de vie des équipements.
La densité de la céramique d'alumine est d'environ 3,8 g/cm³, soit deux fois moins que celle de l'acier, ce qui réduit efficacement la charge des 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 permet de trouver une large application dans les environnements corrosifs comme l'industrie chimique. Sa résistance aux hautes températures est également remarquable, pouvant atteindre 1600 °C, voire plus, et elle peut être utilisée comme revêtement pour les fours à haute température et les matériaux réfractaires.
(2) Domaines d'application
Dans le domaine 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, etc. La vitesse de coupe des outils de coupe en céramique d'alumine est supérieure à celle des outils de coupe en carbure cémenté classiques, ce qui améliore considérablement l'efficacité de coupe. Les outils de coupe en céramique composite Al₂O₃ peuvent également usiner divers matériaux tels que l'acier trempé et l'acier allié.
Dans les domaines de l'électronique et de l'énergie électrique, les céramiques d'alumine sont largement utilisées. Dotées d'une bonne isolation et d'une bonne conductivité thermique, elles peuvent être utilisées pour la fabrication de substrats céramiques, de plaquettes, de films céramiques, de céramiques transparentes et de dispositifs isolants, etc. Par exemple, les substrats céramiques d'alumine, dotés d'une résistance mécanique élevée, d'une bonne isolation et d'une excellente protection contre la lumière, sont souvent utilisés dans les substrats céramiques de câblage multicouche, les boîtiers électroniques et les substrats d'emballage haute densité.
Dans l'industrie chimique, les céramiques d'alumine peuvent être utilisées pour fabriquer des revêtements de bouilloires 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 de divers milieux chimiques, garantissant ainsi le fonctionnement sûr et stable de la production chimique.
Céramiques de zircone : propriétés et applications
(1)Caractéristiques de performance
Les céramiques à base de zircone, dont le composant principal est la zircone (ZrO₂), offrent d'excellentes performances. Leur dureté est relativement élevée, avec une dureté Mohs de 7 à 8, et elles offrent d'excellentes performances dans les applications résistantes à l'usure. Dans les mêmes conditions de frottement, la perte par usure de la céramique à base de zircone n'est que 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. Il résiste efficacement à la propagation des fissures et est difficile à casser. Sa résistance à l'usure est excellente, plus de 200 fois supérieure à celle de l'acier inoxydable, et il présente des avantages significatifs dans les environnements à forte usure.
Les céramiques de zircone possèdent également de bonnes propriétés isolantes. Excellentes à température ambiante, elles répondent aux exigences d'isolation des secteurs électronique et électrique. Leur résistance aux hautes températures est également remarquable, avec un point de fusion pouvant atteindre 2700 °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 souvent utilisée pour la fabrication d'outils de coupe, de roulements, de vannes, etc. Les outils de coupe en céramique de zircone sont tranchants et durables, avec d'excellentes performances de coupe. Ils peuvent usiner une variété de matériaux difficiles à couper et ne réagissent pas avec les aliments, ce qui permet de les utiliser pour la fabrication de couteaux de table, de bistouris, etc. Les roulements en céramique de zircone présentent les avantages d'une résistance élevée aux températures élevées, à la corrosion et à l'usure, et sont largement utilisés dans les équipements à grande vitesse et de haute précision.
En termes de céramique fonctionnelle, les céramiques de zircone peuvent être transformées en capteurs d'oxygène, en électrodes de piles à combustible à oxyde solide, etc. Les capteurs d'oxygène, utilisant leurs caractéristiques de conduction pour les ions oxygène, peuvent détecter rapidement et avec précision la teneur en oxygène dans l'environnement et sont largement utilisés dans des domaines tels que la détection des gaz d'échappement des automobiles et le contrôle de la combustion industrielle.