Définition et chimie des céramiques

Le mot « céramique » vient du mot grec « keramikos », qui signifie « de poterie ». Si les premières céramiques étaient des poteries, le terme englobe un grand nombre de matériaux, dont certains éléments purs. Une céramique est un solide inorganique, non métallique, généralement à base d’un oxyde, d’un nitrure, d’un borure ou d’un carbure, qui est cuit à haute température. Les céramiques peuvent être glacées avant la cuisson pour produire un revêtement qui réduit la porosité et présente une surface lisse et souvent colorée. De nombreuses céramiques contiennent un mélange de liaisons ioniques et covalentes entre les atomes. Le matériau résultant peut être cristallin, semi-cristallin ou vitreux. Les matériaux amorphes de composition similaire sont généralement appelés « verre ».

Les quatre principaux types de céramiques sont les blancs, les céramiques de structure, les céramiques techniques et les réfractaires. Les articles en blanc comprennent les ustensiles de cuisine, la poterie et les carreaux muraux. Les céramiques de construction comprennent les briques, les tuyaux, les tuiles et les carreaux de sol. Les céramiques techniques sont également connues sous le nom de céramiques spéciales, fines, avancées ou techniques. Cette classe comprend les roulements, les tuiles spéciales (par exemple, le blindage thermique des vaisseaux spatiaux), les implants biomédicaux, les freins en céramique, les combustibles nucléaires, les moteurs en céramique et les revêtements en céramique. Les réfractaires sont des céramiques utilisées pour la fabrication de creusets, de fours linéaires et pour la production de chaleur rayonnante dans les foyers à gaz.

Comment la céramique est-elle fabriquée ?

Les matières premières pour la céramique comprennent l’argile, le kaolinate, l’oxyde d’aluminium, le carbure de silicium, le carbure de tungstène et certains éléments purs. Les matières premières sont combinées avec de l’eau pour former un mélange qui peut être façonné ou moulé. Les céramiques sont difficiles à travailler une fois qu’elles sont fabriquées, aussi sont-elles généralement façonnées dans les formes finales souhaitées. La forme est laissée à sécher et est cuite dans un four appelé four à bois. Le processus de cuisson fournit l’énergie nécessaire à la formation de nouvelles liaisons chimiques dans le matériau (vitrification) et parfois de nouveaux minéraux (par exemple, les formes de mullite provenant du kaolin dans la cuisson de la porcelaine). Des émaux imperméables, décoratifs ou fonctionnels peuvent être ajoutés avant la première cuisson ou peuvent nécessiter une cuisson ultérieure (plus courant). La première cuisson d’une céramique donne un produit appelé biscuit. La première cuisson permet de brûler les matières organiques et autres impuretés volatiles. La deuxième (ou troisième) cuisson peut être appelée émaillage.

Exemples et utilisations de la céramique

La poterie, les briques, les tuiles, la faïence, la porcelaine et la porcelaine sont des exemples courants de céramique. Ces matériaux sont bien connus pour leur utilisation dans la construction, l’artisanat et l’art. Il existe de nombreux autres matériaux céramiques :

• Dans le passé, le verre était considéré comme une céramique, car il s’agit d’un solide inorganique qui est cuit et traité comme de la céramique. Cependant, comme le verre est un solide amorphe, il est généralement considéré comme un matériau distinct. La structure interne ordonnée des céramiques joue un grand rôle dans leurs propriétés.
• Le silicium pur et le carbone solides peuvent être considérés comme des céramiques. Au sens strict, un diamant pourrait être appelé une céramique.
• Le carbure de silicium et le carbure de tungstène sont des céramiques techniques qui ont une grande résistance à l’abrasion, ce qui les rend utiles pour les gilets pare-balles, les plaques d’usure pour l’exploitation minière et les composants de machines.
• L’oxyde d’uranium (UO2) est une céramique utilisée comme combustible pour les réacteurs nucléaires.
• La zircone (dioxyde de zirconium) est utilisée pour fabriquer des lames de couteau en céramique, des pierres précieuses, des piles à combustible et des capteurs d’oxygène.
• L’oxyde de zinc (ZnO) est un semi-conducteur.
• L’oxyde de bore est utilisé pour fabriquer des gilets pare-balles.
• L’oxyde de cuivre de bismuth strontium et le diborure de magnésium (MgB2) sont des supraconducteurs.
• La stéatite (silicate de magnésium) est utilisée comme isolant électrique.
• Le titanate de baryum est utilisé pour fabriquer des éléments chauffants, des condensateurs, des transducteurs et des éléments de stockage de données.
• Les objets en céramique sont utiles en archéologie et en paléontologie car leur composition chimique peut être utilisée pour identifier leur origine. Cela comprend non seulement la composition de l’argile, mais aussi celle de la tempérament – les matériaux ajoutés pendant la production et le séchage.

Propriétés de la céramique

La céramique comprend une telle variété de matériaux qu’il est difficile de généraliser leurs caractéristiques. La plupart des céramiques présentent les propriétés suivantes :

• Dureté élevée
• Habituellement cassant, avec une faible résistance
• Point de fusion élevé
• Résistance aux produits chimiques
• Mauvaise conductivité électrique et thermique
• Faible ductilité
• Module d’élasticité élevé
• Haute résistance à la compression
• La transparence optique à une variété de longueurs d’onde

Les céramiques supraconductrices et piézoélectriques font exception.

Termes connexes

La science de la préparation et de la caractérisation des céramiques s’appelle céramographie.

Les matériaux composites sont constitués de plusieurs catégories de matériaux, dont la céramique. La fibre de carbone et la fibre de verre sont des exemples de matériaux composites. A cermet est un type de matériau composite contenant de la céramique et du métal.

A verre-céramique est un matériau non cristallin avec une composition céramique. Alors que les céramiques cristallines ont tendance à être moulées, les vitrocéramiques se forment par coulage ou soufflage d’une masse fondue. Parmi les exemples de vitrocéramiques, on trouve les cuisinières en verre et le composite de verre utilisé pour lier les déchets nucléaires en vue de leur élimination.