redresse=1.2|vignette|Pièces de roulements, composite . redresse=1.2|vignette|Surface d'une céramique composite.
La céramique technique est une branche de la science des matériaux traitant de la science et de la technologie de matériaux minéraux non métalliques ayant des applications industrielles ou militaires. Elle se distingue radicalement des créations artisanales (poterie) ou artistiques (céramique d'art) ainsi que des porcelaines à usage domestique. Cette discipline traite notamment de la recherche et du développement de céramiques présentant les propriétés physiques particulières, ce qui recouvre la purification de la matière première, l'étude et la production des composés chimiques nécessaires à la production du matériau fini, leur formation dans les constituants, et l'étude de leur structure, de leur composition et de leurs propriétés physiques et chimiques. Ces matériaux sont par exemple des oxydes, comme l'alumine et le dioxyde de zirconium , des non-oxydes, qui sont souvent des céramiques ultraréfractaires (borures, carbures et nitrures de métaux réfractaires, céramiques renforcées de silicium voire de magnésium), ou encore des céramiques composites, qui sont des combinaisons des deux précédents.
Une céramique technique peut être entièrement cristalline ou partiellement cristallisée, avec une organisation à grande échelle au niveau atomique ; les céramiques vitreuses peuvent également avoir une structure amorphe dépourvue d'organisation à l'échelle atomique, ou avoir un degré d'organisation limité. L'ASTM définit une céramique comme « une pièce ayant un corps vitrifié ou non, de structure cristalline ou partiellement cristalline, ou en verre, dont le corps est formé de substances essentiellement minérales et non métalliques, et qui est formé par une masse en fusion qui se solidifie en se refroidissant, ou qui est formé et porté à maturité, en même temps ou ultérieurement, par l'action de la chaleur » :« » ; on peut également ajouter un mode d'obtention à basse température par précipitation de solutions chimiques hautement purifiées, comme la synthèse hydrothermale, ou par polymérisation, comme le procédé sol-gel.
Les propriétés particulières recherchées pour les céramiques techniques peuvent être par exemple de nature mécanique, électrique, magnétique, optique, piézoélectrique, ferroélectrique ou supraconductrice, ce qui rend compte de la très grande variété d'applications de ce type de matériaux, que ce soit en génie des matériaux, en génie électrique, en génie chimique et en génie mécanique. Les céramiques étant thermostables, elles peuvent remplir des fonctions auxquelles les polymères et les métaux sont impropres. C'est la raison pour laquelle on les retrouve dans des domaines aussi variés que l'industrie minière, l'industrie aérospatiale, la médecine, l'industrie agroalimentaire, l'industrie chimique, l'industrie des semiconducteurs, l'industrie nucléaire, le transport de l'électricité et les guides d'ondes électromagnétiques W. David Kingery, H. K. Bowen et Donald R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, Wiley-Interscience, , 1976, . .
Généralités Les céramiques demeurent solides à température élevée, résistent bien aux chocs thermiques (comme les « tuiles » de la navette spatiale américaine) ainsi qu'au vieillissement et aux agressions climatiques ou chimiques. Les objets en céramique possèdent généralement une bonne résistance mécanique, une faible masse volumique, une dureté élevée et une bonne résistance à l'usure. Des imperfections dans le matériau, comme des fissures résultant d'un frittage incomplet, peuvent toutefois altérer ces propriétés. Leur utilisation est sans danger pour l'homme, et nombreuses sont celles qui sont biocompatibles, comme l'hydroxyapatite ; elles sont ainsi utilisées comme équipements sanitaires, médicaux ou alimentaires.
Les céramiques ont généralement une faible conductivité thermique. Elles sont généralement opaques ou translucides (verres amorphes), mais peuvent aussi être transparentes, comme l'alumine , le nitrure d'aluminium AlN, l'oxyde d'yttrium(III) et le YAG , par exemple pour jumelles de vision nocturne ou systèmes de guidage de missile par infrarouge. Ce sont d'excellents isolants électriques et elles sont utilisées par exemple comme isolateurs pour circuits électriques ou lignes à haute tension. Dans certaines conditions, notamment des températures cryogéniques (quelques dizaines de kelvins), certaines céramiques deviennent supraconductrices.
Dans les céramiques, les liaisons entre atomes ont un caractère iono-covalent. Les liaisons ioniques ne sont pas directionnelles, elles tendent à maximiser les attractions coulombiennes et minimiser les répulsions isocharges, ce qui conduit à des arrangements d'anions et de cations compacts ; les liaisons covalentes sont directionnelles et conduisent quant à elles à des arrangements atomiques plus étendus. Le caractère plutôt ionique ou plutôt covalent d'une liaison chimique dépend de la différence d'électronégativité des atomes formant la céramique : d'une manière générale, une différence d'électronégativité élevée favorise les liaisons ioniques tandis qu'une différence faible favorise les liaisons covalentes ; ainsi, le fluorure de calcium est essentiellement ionique tandis que le carbure de silicium SiC est essentiellement covalent, le dioxyde de silicium étant intermédiaire.
Synthèse Les deux grands types de synthèse des matériaux céramiques sont dits par voie sèche et par voie humide, selon les conditions expérimentales et la mise en forme souhaitée.
Par voie sèche On applique un traitement thermique approprié, typiquement autour de , à un mélange de précurseurs solides en poudre afin d'obtenir le matériau céramique souhaité. Il s'agit d'une réaction en phase solide à haute température employée surtout pour l'obtention de pièces massives, c'est-à-dire d'au moins d'épaisseur. Les poudres sont finement broyées et portées à une température élevée mais inférieure à leur point de fusion de sorte que la réaction chimique se déroule au niveau des surfaces de contact entre les grains. Ce sont par exemple les réactions : MgO + ⟶ ; + ⟶ + .
Par ailleurs, les techniques d'ablation laser permettent la réalisation de couches minces de l'ordre du nanomètre.
Par voie humide Coprécipitation en solution Ce type de procédé est plus rapide et requiert des températures moins élevées que la voie sèche. Il permet de mieux contrôler la texture des poudres formées et peut être utilisé pour réaliser des couches minces de l'ordre du micromètre. Il consiste notamment en la précipitation simultanée en phase aqueuse de sels métalliques sous l'action d'une base forte, donnant des hydroxydes hydratés , ou sous l'action de l'acide oxalique HOOC–COOH, donnant des oxalates hydratés , l'eau de ces composés étant ensuite éliminée par chauffage. Dans la voie des hydroxydes métalliques obtenus sous l'action d'une base forte, il est important de se placer à un pH auquel ces hydroxydes coexistent, dans le cas présent à un pH de l'ordre de 9 à 10, afin qu'il y ait bien coprécipitation.
Par exemple, le ferrite de cobalt peut être obtenu en faisant coprécipiter des chlorures métalliques sous l'action de l'hydroxyde de sodium NaOH puis en chauffant les hydroxydes obtenus à environ : + 2 + 6 NaOH ⟶ + 2 + 6 NaCl + 6 ; + 2 ⟶ + 4 à .
Le ferrite spinelle mixte peut être obtenu de manière semblable : 0,5 + 0,5 + 2 + 8 NaOH ⟶ 0,5 + 0,5 + 2 + 8 NaCl + 12 ; 0,5 + 0,5 + 2 ⟶ + 4 à .
A contrario, le titanate de baryum peut être obtenu en faisant coprécipiter des chlorures métalliques sous l'action de l'acide oxalique, écrit par commodité ci-dessous : + + 3 + 2 ⟶ + 6 HCl ; ⟶ + 2 + 2 CO↑ à .
Procédé sol-gel vignette|Représentation simplifiée de la condensation du .
Le procédé sol-gel permet de fabriquer un polymère inorganique par des réactions chimiques simples et à une température relativement proche de la température ambiante, c'est-à-dire entre . La synthèse s'effectue à partir d'alcoolates de formule , où M est un métal ou un atome de silicium, et R un groupe organique alkyle , par exemple l'orthosilicate de tétraéthyle (). L'un des intérêts de ce procédé est que ces précurseurs existent pour un grand nombre de métaux et de métalloïdes. Ils sont soit liquides soit solides, auquel cas ils sont, pour la plupart, solubles dans les solvants usuels. Il est donc possible de préparer des mélanges homogènes de monomères (précurseurs) ou d'oligomères. Les réactions chimiques simples à la base du procédé sont déclenchées lorsque les précurseurs sont mis en présence d'eau : l'hydrolyse des groupes alcoolate intervient en premier, puis la condensation des produits hydrolysés conduit à la gélification du système. Ceci peut être illustré par les réactions de production du dioxyde de silicium à partir d'alcoolates de type , amorcées par leur hydrolyse donnant un intermédiaire hydroxylé à partir duquel se propage la réaction de polymérisation formant une série de liaison siloxane Si–O–Si avec libération d'eau et d'alcools ROH : + ⟶ + ROH. + ⟶ + ; + ⟶ + ROH.
L'hydrolyse complète des précurseurs peut être obtenue généralement à travers un excès d'eau ou l'utilisation de catalyseurs d'hydrolyse comme l'acide acétique ou l'acide chlorhydrique HCl. La formation d'intermédiaires tels que ou peut conduire à des hydrolyses partielles. Le procédé sol-gel permet de mettre le matériau final sous diverses formes, parmi lesquelles les monolithes, matériaux massifs de quelques millimètres cubes à quelques dizaines de centimètres cubes, et les couches minces, de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres d'épaisseur.
Mise en forme À partir d'une poudre céramique Frittage — Le frittage est un processus physique reposant sur la diffusion de la matière à travers les surfaces de contact entre grains de céramique pour aboutir à faire fusionner ces grains et obtenir une pièce solide formée d'un matériau céramique compact. Dans la mesure où ce procédé de mise en forme ne nécessite pas d'atteindre le point de fusion du matériau, il peut être employé en métallurgie des poudres pour traiter des métaux particulièrement réfractaires comme le tungstène, le rhénium, l'osmium, le tantale, ainsi que des céramiques ultraréfractaires comme les carbures d'hafnium, de tantale, de niobium ou de zirconium, dont le point de fusion dépasse les , de sorte qu'ils ne peuvent être traités par coulage, extrusion ou moulage par injection de matière fondue, et dont la résistance aux déformations plastiques rend le forgeage et le laminage peu praticables.
Pour un frittage donnant une céramique de bonne qualité, les poudres doivent préalablement être broyées le plus finement possibles afin d'en améliorer la granulométrie et d'homogénéité. Elles sont ensuite mises en forme par pressage, extrusion, injection, coulage ou d'autres techniques de façonnage dépendant de la forme désirée, du degré d'humidité des poudres, ou encore de la nature du matériau. Le traitement thermique peut dans un premier temps conduire au déliantage, à la décarbonatation et à la déshydratation des poudres, puis assure la diffusion du matériau responsable du processus de frittage et de la consolidation de la céramique. La finition peut faire intervenir des étapes d'usinage, de polissage ou de revêtement de la pièce obtenue.