Propriétés et usages des céramiques

Les matériaux céramiques sont abondants sur terre et leur composition chimique très variée puisque regroupant une partie importante des 118 éléments du tableau de Mendeleïev. Les oxydes, comme l’alumine ou la zircone, sont constitués de l’élément oxygène et d’un métal de transition. Les silicates sont des oxydes mixtes d’origine naturelle contenant de la silice. A côté des oxydes, on trouve les non-oxydes tels que les carbures (par exemple le carbure de silicium), les nitrures, les siliciures les tellurures, etc. Les propriétés intrinsèques de toutes ses phases apportent des propriétés d’usages diverses.

img_7004Les propriétés spécifiques des pièces céramiques dépendent en grande partie des propriétés des matières premières utilisées pour les concevoir. Par conséquent, une maîtrise complète des matières est essentielle en termes de  réactivité, stabilité, pureté chimique, distribution granulométrique …
Du choix des matériaux à la réalisation du produit fini, en passant par le recyclage, la synthèse, la caractérisation ou encore la transformation, nous pouvons vous accompagner dans vos problématiques « matériaux » grâce notamment à des équipements dédiés.

Notre laboratoire de synthèse et formulation permet le développement de matériaux haute performance adaptés à chaque utilisation industrielle. Les procédés sont mis en œuvre à partir de poudres ou de précurseurs afin d’aboutir aux caractéristiques attendues.

Pour en savoir plus...

Les équipements du laboratoire de synthèse et formulation

Tableau comparatif des principales classes de céramiques techniques

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Ci-dessous sont listées des applications importantes des céramiques techniques

Les céramiques présentent des propriétés électriques d’une grande diversité, allant du supraconducteur aux meilleurs isolants électriques.

Les céramiques à usage électronique sont les plus variées par leur composition et leur propriété d’usage. Elles peuvent être isolants électriques (Al2O3 , MgO, SiO2 , Si3N4 , AlN…), semi-conducteurs (SiC, Cu2O, ZnO, TiO2…), conducteurs électriques (ReO3, MoSi2, LaB6, Ti3SiC2…) ou conducteurs ioniques (YSZ), céramiques magnétiques avec les ferrites (Fe3O4NiFe2O4…).

Ces céramiques représentent 75% du chiffre d’affaires mondial des céramiques techniques et leurs applications sont nombreuses : substrat, condensateur, varistance, capteur, éléments chauffants, électrolyte solide, piézoélectrique ou supraconducteur…

Pour chacune de ces applications, le choix et la mise en œuvre de ces matériaux céramiques conditionnent les propriétés finales des composants.

Aussi, le CTTC peut vous accompagner dans l’établissement de votre cahier des charges, l’amélioration de votre produit ou le développement d’une solution spécifique :

Les biocéramiques sont utilisées aussi bien dans les systèmes médicaux (bioréacteurs, outils chirurgicaux et instrumentation médicale) que dans le domaine de la chirurgie reconstructrice (prothèses, substituts osseux, implants oculaires), et du dentaire (implants dentaires, bridges, brackets).

Les biocéramiques sont destinées à des implantations dans un organisme vivant.

L’alumine est la plus répandue en orthopédie et les aluminosilicates sont essentiellement utilisés dans les prothèses dentaires.

La zircone a également été proposée pour les têtes de prothèse ostéo-articulaires. Les phosphates de calcium, sont les matériaux synthétiques les plus proches de la phase minérale de l’os, ils sont bioactifs et favorisent la croissance osseuse à leur contact (ostéoconduction).
Leur composition peut être modulée pour contrôler leur vitesse de dégradation dans l’organisme : la phase la plus riche en calcium (HAP) est bioinerte tandis que le β-TCP plus riche en phosphate est biorésorbable. Ces matériaux sont très utilisés en chirurgie orthopédique et maxillo-faciale.

Le CTTC vous accompagne dans vos développements de produits et répond à vos besoins de mise en forme ou d’analyse de biocéramiques :

Les céramiques techniques occupent une place particulièrement importante dans le domaine de l’énergie et de l’environnement.

Les céramiques sont couramment utilisées en tant que filtres ou membranes lorsque le milieu environnant est très agressif (haute température, fluide corrosif …).

Des mousses en céramique sont par exemple utilisées pour la filtration des alliages d’aluminium des fonderies. Elles peuvent éliminer les inclusions, réduire les gaz piégés. Les filtres en carbure de silicium sont conçus pour filtrer les impuretés des aciers, de la fonte grise et du bronze.
Les filtres à particules sont quant à eux constitués d’un nid d’abeille extrudé en céramique et les canaux sont bouchés alternativement afin de forcer le passage des gaz à travers les parois poreuses. Le carbure de silicium est utilisé, car il dispose d’une conductivité thermique élevée qui permet de dissiper la chaleur de la combustion des suies et d’une grande résistance aux chocs thermiques.

Les pots catalytiques sont également des structures céramiques en nid d’abeille à la surface desquelles il est déposé un catalyseur afin de dégrader les polluants des
gaz d’échappement. Le pot catalytique est généralement fabriqué à partir d’un oxyde à bas coefficient de dilatation (cordiérite) tandis que les catalyseurs sont des poudres d’oxydes
(Al2O3, CeO2, CeO2/ZrO2, Zéolithesur lesquelles sont déposés des métaux nobles (platine, rhodium et palladium).

Les membranes céramiques à porosité contrôlée peuvent être utilisées pour filtrer des particules dans les effluents liquides. Les membranes céramiques denses sont utilisées à haute température afin de séparer des espèces gazeuses par perméation sélective. Dans cette dernière catégorie, on peut citer des matériaux tels que la zircone rendue conductrice ionique par dopage à l’yttrium ; elle est utilisée en tant qu’électrolyte solide dans les piles à combustible (SOFC) ou les sondes lambda ; ainsi que des oxydes de structure pérovskite à la fois conducteurs ioniques et électroniques qui sont employés dans des réacteurs catalytiques membranaires.

Un autre important domaine d’usage est celui du nucléaire, où l’on retrouvera les céramiques en tant que combustibles (UO2, PuO2), matériaux réfractaires, éléments de stockage ou d’inertage des déchets.

Les contraintes sévères (températures élevées, milieux extrêmement corrosifs) auxquelles sont soumises les céramiques nécessitent d’avoir recours à des matériaux performants et spécifiques à chaque application.

Le CTTC dispose du savoir-faire et des équipements requis pour développer et réaliser avec vous les céramiques répondant à vos besoins, de la phase de conception jusqu’au prototype à l’échelle 1 :

Les composants céramiques se sont imposés dans le domaine des télécommunications grâce à des propriétés permettant aux systèmes de résister à leur environnement et aux contraintes auxquelles ils sont soumis (humidité, vibrations, variations de températures,…).

Compacts et performants, les micro-systèmes céramiques élaborés trouvent ainsi des applications en tant que modules d’interconnexion pour fibres optiques (zircone), antennes BIP (Bande Interdite Photonique), filtres en fréquence, résonateurs,…

En collaboration avec les laboratoires et instituts de recherche de Limoges (SPCTS et XLim), le CTTC explore de nouvelles technologies de mise en forme des céramiques pour diminuer la taille des composants sans sacrifier leurs performances.

Qu’elles soient structurales ou fonctionnelles, les céramiques trouvent de nombreuses applications dans les secteurs aéronautique et spatial : aubes de turbines, miroirs de télescope, capteurs, chambre de combustion, boucliers thermiques, moteurs plasmiques …

Zoom sur les céramiques structurales

Les céramiques structurales doivent répondre à des contraintes mécaniques importantes. Les carbures (SiC, B4C …) et les nitrures (Si3N4BN …) sont couramment utilisés dans l’industrie aéronautique, automobile et mécanique : billes de roulement, joints d’étanchéité, outils de coupe, turbines, miroirs de télescope…
Pour pallier la fragilité naturelle des céramiques, le céramiste a dû élaborer des architectures spécifques à l’échelle micro ou macroscopique. Les composites à matrices céramiques ou CMC, qui renferment des fibres en carbure de silicium ou en carbone, présentent des propriétés mécaniques exceptionnelles dans des conditions extrêmes de température. Les composites à architecture lamellaire ou à renforcement particulaires comme les ZTA (Zirconia Toughened Alumina) présentent une résistance à la propagation des fissures considérablement amélioré
e. Des nouveaux matériaux tels que les Phases MAX (par exemple Ti3SiC2) présentent des comportements mécaniques originaux (plasticité à haute température, dissipation de l’énergie de propagation des fissures.

Le CTTC élabore pour vous des solutions technologiques adaptées à votre cahier des charges et vous permet de développer des procédés de fabrication ou de réaliser des prototypes grâce à :