Les propriétés physiques de toute substance céramique sont le résultat direct de sa structure cristalline et de sa composition chimique. La chimie à l’état solide révèle le lien fondamental entre la microstructure et les propriétés, telles que les variations localisées de densité, la distribution granulométrique, le type de porosité et le contenu de la deuxième phase, qui peuvent toutes être corrélées avec des propriétés céramiques telles que la résistance mécanique σ par l’équation de Hall-Petch, la dureté, la ténacité, la constante diélectrique et les propriétés optiques exposées par les matériaux transparents.
La céramographie est l’art et la science de la préparation, de l’examen et de l’évaluation des microstructures céramiques. L’évaluation et la caractérisation des microstructures céramiques sont souvent mises en œuvre à des échelles spatiales similaires à celles couramment utilisées dans le domaine émergent des nanotechnologies : de la dizaine d’angstroms (A) à la dizaine de micromètres (µm). C’est généralement quelque part entre la longueur d’onde minimale de la lumière visible et la limite de résolution de l’œil nu.
La microstructure comprend la plupart des grains, des phases secondaires, des joints de grains, des pores, des micro-fissures, des défauts structurels et des micro-indentions de dureté. La plupart des propriétés mécaniques, optiques, thermiques, électriques et magnétiques en vrac sont significativement affectées par la microstructure observée. Le procédé de fabrication et les conditions du procédé sont généralement indiqués par la microstructure. La cause profonde de nombreuses défaillances de la céramique est évidente dans la microstructure clivée et polie. Les propriétés physiques qui constituent le domaine de la science et de l’ingénierie des matériaux sont les suivantes:
Propriétés mécaniquesmodifier
Les propriétés mécaniques sont importantes dans les matériaux structurels et de construction ainsi que dans les tissus textiles. Dans la science moderne des matériaux, la mécanique des fractures est un outil important pour améliorer les performances mécaniques des matériaux et des composants. Il applique la physique des contraintes et des contraintes, en particulier les théories de l’élasticité et de la plasticité, aux défauts cristallographiques microscopiques trouvés dans les matériaux réels afin de prédire la défaillance mécanique macroscopique des corps. La fractographie est largement utilisée avec la mécanique des fractures pour comprendre les causes des défaillances et également vérifier les prédictions de défaillances théoriques avec des défaillances réelles.
Les matériaux céramiques sont généralement des matériaux liés ioniques ou covalents, et peuvent être cristallins ou amorphes. Un matériau maintenu ensemble par l’un ou l’autre type de liaison aura tendance à se rompre avant toute déformation plastique, ce qui entraîne une faible ténacité dans ces matériaux. De plus, comme ces matériaux ont tendance à être poreux, les pores et autres imperfections microscopiques agissent comme des concentrateurs de contraintes, diminuant davantage la ténacité et réduisant la résistance à la traction. Ceux-ci se combinent pour donner des défaillances catastrophiques, par opposition aux modes de défaillance plus ductiles des métaux.
Ces matériaux présentent une déformation plastique. Cependant, en raison de la structure rigide des matériaux cristallins, il existe très peu de systèmes de glissement disponibles pour déplacer les dislocations, et ils se déforment donc très lentement. Avec les matériaux non cristallins (vitreux), l’écoulement visqueux est la principale source de déformation plastique et est également très lent. Il est donc négligé dans de nombreuses applications de matériaux céramiques.
Pour surmonter le comportement cassant, le développement de matériaux céramiques a introduit la classe des matériaux composites à matrice céramique, dans lesquels les fibres céramiques sont noyées et avec des revêtements spécifiques forment des ponts de fibres à travers toute fissure. Ce mécanisme augmente sensiblement la ténacité à la rupture de telles céramiques. Les freins à disque en céramique sont un exemple d’utilisation d’un matériau composite à matrice céramique fabriqué selon un processus spécifique.
Déglaçage pour des propriétés mécaniquesmodifier
Si la céramique est soumise à une charge mécanique importante, elle peut subir un processus appelé déglaçage, qui permet un certain contrôle de la microstructure du produit céramique et donc un certain contrôle des propriétés mécaniques. Les ingénieurs en céramique utilisent cette technique pour ajuster les propriétés mécaniques à l’application souhaitée. Plus précisément, la résistance est augmentée, lorsque cette technique est utilisée. Le modèle de glace permet la création de pores macroscopiques dans un agencement unidirectionnel. Les applications de cette technique de renforcement des oxydes sont importantes pour les piles à combustible à oxyde solide et les dispositifs de filtration de l’eau.
Pour traiter un échantillon par modélisation de glace, une suspension colloïdale aqueuse est préparée pour contenir la poudre de céramique dissoute uniformément dispersée dans tout le colloïde, par exemple de la zircone stabilisée à l’Yttrie (YSZ). La solution est ensuite refroidie de bas en haut sur une plate-forme permettant un refroidissement unidirectionnel. Cela force les cristaux de glace à croître conformément au refroidissement unidirectionnel et ces cristaux de glace forcent les particules YSZ dissoutes au front de solidification de la frontière d’interphase solide-liquide, ce qui donne des cristaux de glace purs alignés de manière unidirectionnelle à côté de poches concentrées de particules colloïdales. L’échantillon est ensuite chauffé simultanément et la pression est suffisamment réduite pour forcer les cristaux de glace à se sublimer et les poches YSZ commencent à se recuire ensemble pour former des microstructures céramiques alignées macroscopiquement. L’échantillon est ensuite fritté pour compléter l’évaporation de l’eau résiduelle et la consolidation finale de la microstructure céramique.
Pendant le modèle de glace, quelques variables peuvent être contrôlées pour influencer la taille des pores et la morphologie de la microstructure. Ces variables importantes sont la charge initiale en solides du colloïde, la vitesse de refroidissement, la température et la durée de frittage et l’utilisation de certains additifs qui peuvent influencer la morphologie microstructurale pendant le processus. Une bonne compréhension de ces paramètres est essentielle pour comprendre les relations entre le traitement, la microstructure et les propriétés mécaniques des matériaux poreux anisotropes.
Propriétés électriquesedit
SemiconductorsEdit
Certaines céramiques sont des semi-conducteurs. La plupart d’entre eux sont des oxydes de métaux de transition qui sont des semi-conducteurs II-VI, tels que l’oxyde de zinc. Bien qu’il existe des perspectives de production en série de LED bleues à partir d’oxyde de zinc, les céramistes sont plus intéressés par les propriétés électriques qui montrent des effets de limite de grain. L’une des plus utilisées est la varistance. Ce sont des dispositifs qui présentent la propriété que la résistance chute brusquement à une certaine tension de seuil. Une fois que la tension aux bornes du dispositif atteint le seuil, il y a une rupture de la structure électrique au voisinage des joints de grain, ce qui entraîne une chute de sa résistance électrique de plusieurs mégohms à quelques centaines d’ohms. L’avantage majeur de ceux-ci est qu’ils peuvent dissiper beaucoup d’énergie et qu’ils se réinitialisent automatiquement; une fois que la tension aux bornes de l’appareil tombe en dessous du seuil, sa résistance redevient élevée. Cela les rend idéaux pour les applications de protection contre les surtensions; comme il y a un contrôle sur la tension de seuil et la tolérance d’énergie, ils trouvent une utilisation dans toutes sortes d’applications. La meilleure démonstration de leur capacité se trouve dans les sous-stations électriques, où ils sont employés pour protéger l’infrastructure des impacts de foudre. Ils ont une réponse rapide, nécessitent peu d’entretien et ne se dégradent pas sensiblement lors de l’utilisation, ce qui en fait des appareils pratiquement idéaux pour cette application. Les céramiques semi-conductrices sont également utilisées comme capteurs de gaz. Lorsque divers gaz sont passés sur une céramique polycristalline, sa résistance électrique change. Avec le réglage des mélanges de gaz possibles, des dispositifs très peu coûteux peuvent être produits.
SupraconductivitéEdit
Sous certains des conditions, telles que des températures extrêmement basses, certaines céramiques présentent une supraconductivité à haute température. La raison en est inconnue, mais il existe deux grandes familles de céramiques supraconductrices.
Ferroélectricité et supersetsEdit
La piézoélectricité, lien entre la réponse électrique et mécanique, est mise en évidence par un grand nombre de matériaux céramiques, dont le quartz utilisé pour mesurer le temps dans les montres et autres appareils électroniques. De tels dispositifs utilisent les deux propriétés des piézoélectriques, en utilisant l’électricité pour produire un mouvement mécanique (alimentant le dispositif) puis en utilisant ce mouvement mécanique pour produire de l’électricité (générant un signal). L’unité de temps mesurée est l’intervalle naturel nécessaire pour que l’électricité soit convertie en énergie mécanique et inversement.
L’effet piézoélectrique est généralement plus fort dans les matériaux qui présentent également de la pyroélectricité, et tous les matériaux pyroélectriques sont également piézoélectriques. Ces matériaux peuvent être utilisés pour inter-convertir l’énergie thermique, mécanique ou électrique; par exemple, après synthèse dans un four, un cristal pyroélectrique laissé refroidir sans contrainte appliquée accumule généralement une charge statique de milliers de volts. De tels matériaux sont utilisés dans les capteurs de mouvement, où la petite élévation de température d’un corps chaud entrant dans la pièce suffit à produire une tension mesurable dans le cristal.
À son tour, la pyroélectricité est observée le plus fortement dans les matériaux qui présentent également l’effet ferroélectrique, dans lesquels un dipôle électrique stable peut être orienté ou inversé en appliquant un champ électrostatique. La pyroélectricité est également une conséquence nécessaire de la ferroélectricité. Cela peut être utilisé pour stocker des informations dans des condensateurs ferroélectriques, des éléments de RAM ferroélectrique.
Les matériaux les plus courants sont le titanate de zirconate de plomb et le titanate de baryum. Outre les utilisations mentionnées ci-dessus, leur forte réponse piézoélectrique est exploitée dans la conception de haut-parleurs haute fréquence, de transducteurs pour sonar et d’actionneurs pour microscopes à force atomique et à balayage tunnel.
Coefficient thermique positifdit
Des augmentations de température peuvent provoquer une isolation soudaine des joints de grains dans certains matériaux céramiques semi-conducteurs, principalement des mélanges de titanates de métaux lourds. La température de transition critique peut être ajustée sur une large plage par des variations de chimie. Dans de tels matériaux, le courant traversera le matériau jusqu’à ce que le chauffage par joule l’amène à la température de transition, à quel point le circuit sera rompu et le flux de courant cessera. De telles céramiques sont utilisées comme éléments chauffants auto-commandés dans, par exemple, les circuits de dégivrage de la lunette arrière des automobiles.
À la température de transition, la réponse diélectrique du matériau devient théoriquement infinie. Alors qu’un manque de contrôle de la température exclurait toute utilisation pratique du matériau près de sa température critique, l’effet diélectrique reste exceptionnellement fort même à des températures beaucoup plus élevées. Les titanates dont les températures critiques sont bien inférieures à la température ambiante sont devenus synonymes de « céramique » dans le contexte des condensateurs en céramique pour cette raison.
Propriétés optiquesedit
Les matériaux optiquement transparents se concentrent sur la réponse d’un matériau aux ondes lumineuses entrantes d’une gamme de longueurs d’onde. Des filtres optiques sélectifs en fréquence peuvent être utilisés pour modifier ou améliorer la luminosité et le contraste d’une image numérique. La transmission d’ondes lumineuses guidées par des guides d’ondes sélectifs en fréquence implique le domaine émergent de la fibre optique et la capacité de certaines compositions vitreuses à servir de support de transmission pour une gamme de fréquences simultanément (fibre optique multimode) avec peu ou pas d’interférence entre des longueurs d’onde ou des fréquences concurrentes. Ce mode résonant de transmission d’énergie et de données par propagation d’ondes électromagnétiques (légères), bien que de faible puissance, est pratiquement sans perte. Les guides d’ondes optiques sont utilisés comme composants dans les circuits optiques intégrés (p.ex. diodes électroluminescentes, LED) ou comme moyen de transmission dans les systèmes de communication optique locaux et à long terme. La sensibilité des matériaux aux rayonnements dans la partie infrarouge thermique (IR) du spectre électromagnétique est également importante pour le scientifique des matériaux émergents. Cette capacité de recherche de chaleur est responsable de phénomènes optiques aussi divers que la vision nocturne et la luminescence INFRAROUGE.
Ainsi, il existe un besoin croissant dans le secteur militaire de matériaux robustes et à haute résistance capables de transmettre la lumière (ondes électromagnétiques) dans le visible (0,4–0.7 micromètres) et les régions du spectre dans l’infrarouge moyen (1 à 5 micromètres). Ces matériaux sont nécessaires pour les applications nécessitant un blindage transparent, y compris les missiles et les nacelles à grande vitesse de nouvelle génération, ainsi que la protection contre les engins explosifs improvisés (EEI).
Dans les années 1960, des scientifiques de General Electric (GE) ont découvert que dans de bonnes conditions de fabrication, certaines céramiques, en particulier l’oxyde d’aluminium (alumine), pouvaient être rendues translucides. Ces matériaux translucides étaient suffisamment transparents pour être utilisés pour contenir le plasma électrique généré dans les lampadaires au sodium à haute pression. Au cours des deux dernières décennies, d’autres types de céramiques transparentes ont été développés pour des applications telles que les cônes de nez pour les missiles à recherche de chaleur, les fenêtres pour les avions de chasse et les compteurs de scintillation pour les scanners de tomodensitométrie.
Au début des années 1970, Thomas Soules a été le pionnier de la modélisation informatique de la transmission de la lumière par l’alumine céramique translucide. Son modèle a montré que les pores microscopiques de la céramique, principalement piégés aux jonctions des grains microcristallins, provoquaient la diffusion de la lumière et empêchaient une véritable transparence. La fraction volumique de ces pores microscopiques devait être inférieure à 1% pour une transmission optique de haute qualité.
Il s’agit essentiellement d’un effet de taille de particule. L’opacité résulte de la diffusion incohérente de la lumière aux surfaces et aux interfaces. En plus des pores, la plupart des interfaces d’un objet métallique ou céramique typique se présentent sous la forme de joints de grains qui séparent de minuscules régions d’ordre cristallin. Lorsque la taille du centre de diffusion (ou limite de grain) est réduite en dessous de la taille de la longueur d’onde de la lumière diffusée, la diffusion ne se produit plus de manière significative.
Dans la formation de matériaux polycristallins (métaux et céramiques), la taille des grains cristallins est déterminée en grande partie par la taille des particules cristallines présentes dans la matière première lors de la formation (ou du pressage) de l’objet. De plus, la taille des joints de grains varie directement avec la taille des particules. Ainsi, une réduction de la taille des particules d’origine en dessous de la longueur d’onde de la lumière visible (~ 0,5 micromètre pour le violet à ondes courtes) élimine toute diffusion de la lumière, ce qui donne un matériau transparent.
Récemment, des scientifiques japonais ont développé des techniques pour produire des pièces en céramique qui rivalisent avec la transparence des cristaux traditionnels (issus d’une seule graine) et dépassent la ténacité à la rupture d’un monocristal. En particulier, les scientifiques de la société japonaise Konoshima Ltd., un producteur de matériaux de construction en céramique et de produits chimiques industriels, cherchait des marchés pour leurs céramiques transparentes.
Les chercheurs de Livermore ont réalisé que ces céramiques pourraient grandement bénéficier aux lasers à haute puissance utilisés dans la Direction des programmes des Installations nationales d’allumage (FNI). En particulier, une équipe de recherche de Livermore a commencé à acquérir des céramiques transparentes avancées de Konoshima pour déterminer si elles pouvaient répondre aux exigences optiques requises pour le laser à capacité thermique à Semi-conducteurs (SSHCL) de Livermore. Les chercheurs de Livermore ont également testé les applications de ces matériaux pour des applications telles que les pilotes avancés pour les centrales de fusion pilotées par laser.