Théorie et généralité sur les céramiques

Question 1

Caractéristiques de la céramique ?

Fonctions de la céramique ?

Answer 1

• Inorganique
• Non Métallique
• Fonction : Supporter les contraintes dans des environnements corrosifs ou oxydants et/ou à T° élevée

Question 2

Types de matériaux ?

Answer 2

• Oxydes
• Carbures
• Nitrures
• Bromures

Question 3

Application des céramiques ?

Answer 3

• Mécanique : Résistance à l’usure et à l’impact
• Miroir de téléscope spatial (Carbure de Silicium)
• Application thermomécanique : Stabilité thermique (Coupe, Forrage, Echangeur Thermique)
• Moteurs

Question 4

Comportement mécanique des céramiques ?

Acier Vs Céramique ?

Answer 4

• Faible énergie de rupture.
• Acier : Zone élastique réversible → Zone plastique irréversible
  
  • Risque de rupture dans la zone plastique irréversible.
  • Pas de zone plastique dans la céramique donc rupture sous contrainte plus faible
• Vulnérabilité de la céramique en déformation imposée et non en effort imposé.

Question 5

Module élastique ?

Answer 5

Le module de Young ou module d’élasticité (longitudinale) ou encore module de traction est la constante qui relie la contrainte de traction (ou de compression) et le début de la déformation d’un matériau élastique isotrope.

σ = E * ΔL / L₀

• σ = Contrainte
• E = Module de Young
• ΔL / L₀ = Allongement relatif

Question 6

Fragilité des céramiques :

• Ductilité ?
• Von Mises ?
• Défauts ?
  

Answer 6

• Ductilité : Existence de plans de glissements permettant une dislocation pour relacher les contraintes (N = Nombre de plans de glissements)
  
  • Dislocation : Mouvement de défauts d’empilement atomiques linéaires (C’est l’origine de la ductilité des métaux)
  • En résistance des matériaux, la ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut (fissure ou cavité), induit par la déformation plastique, devient critique et se propage.
• Von Mises = Ductilité si N ≥ 5
  
  • ​Céramique 2 < N < 5
  • Verre N = 0
• Défauts
  
  • ​Porosité
  • Microfissure
  • Joint de grain
  • Ecaillage

Question 7

Céramique et résistance à la rupture ?

• Facteurs d’influence ?
  
• Sensibilité aux sollicitations ?

Answer 7

On va avoir, lors de la rupture, la formation d’un défaut qui va se propager.

Vitesse de propagation des fissures limitée par la vitesse du son dans le matériau (propagation d’une onde dans un milieu élastique)

On parle de contrainte à la rupture σ_R, ce n’est pas une propriété intrinsèque au materiau

• Nature des défauts
• Taille des défauts
• Géométrie des défauts
• Localisation et orientation des défauts

Forte résistance à la pression mais forte sensibilité à la traction et à la flexion.

Question 8

Ténacité ?

Answer 8

Propriété intrinsèque au matériau.

Il s’agit de l’énergie que doit fournir la fissure pour progresser (pour casser les liaisons).

Question 9

Rupture différée ?

Answer 9

• Fissuration sous-critique et fatigue des céramiques
• Croissance lente des fissures
  
  • Présence d’eau qui vient casser les liaisons

Question 10

Etapes de fabrication d’une céramique technique :

1. 2. 3. 4.

Answer 10

1. Mise en forme
   
   1. Mouillage de poudre (Oxyde…) → Barbotine
   2. Coulage dans un moule plastique absorbant l’eau
   3. Compression = Sechage de la barbotine par pressage
2. Séchage / Déliantage : Extraction du liant
3. Frittage : Agglutination par chauffage
   
   • Sans pression sous air
   • Pression uniaxiale
   • Pression isostatique
   • Sans pression sous atmosphère contrôlée
4. Réctification / Usinage

D’autres “Mise en formes sont possibles”

• Extrusion
• Injection de pate dans un moule
• Coulage en bande : Création d’un film (< 1,5 mm)
• Fabrication de fibres pour la confaction de tissus en céramique
• Couche mince : Dépot céramique (< 1 μm) sur une surface non céramique (Passage par une phase gazeuse)
• Couche épaisse : Pour la protection termique

Il est possible de fabriquer des objets couche par couche (3D) par μ-Stéréolithographie

• Couche de 20 à 100 μm
• Rapide
• Fabrication de petits objets de forme complexe

Question 11

μ-Stéréolithographie ?

Answer 11

Il est possible de fabriquer des objets couche par couche (3D) par μ-Stéréolithographie

• Couche de 20 à 100 μm
• Rapide
• Fabrication de petits objets de forme complexe

Question 12

Rôle des biocéramiques ?

Answer 12

• Diagnostic
• Traitement et thérapie
• Remplacement ou réparation d’organes

Question 13

Biocéramique :

• Propriété → Rôle
  
  • Exemples (si possible)

Answer 13

• Inerte → Rôle mécanique
  
  • Carbone vitreux
  • Diamant
  • Alumine (Orthopédie)
  • Zircome
• Résorbable → Comblement
• Bioréactif → Liaison biomécanique (HAP)

Question 14

Complications biocéramiques / Implants ?

Answer 14

• Ostéolyse : Cupule en téflon
• Rupture : Tête en céramique, tige métallique
• Débris d’usure : Réaction inflammatoire

Question 15

Zircone

• Propriétés
  
• Agencements cristallographiques
• Intérêt
• Autre méthode de renforcement

Answer 15

• Propriétés
  
  • Résistance à la flexion
  • Ténacité à la corrosion
  • Non Coloré
  • Déstabilisation sous l’action de l’eau (Zircone + Oxyde de Cerium pour stabiliser)
• Trois agencements en fonction de la température
  
  • T° de fusion 2700°C
  • Monoclinique (T° Ambiante) < Quadratique < Cubique
• Zircone + Stabilisant (Oxyde de Cerium) = Forme Quadratique stable à T° ambiante
  
  • Fissure → Passage en forme Monoclinique → Dilatation et fermeture de la fissure
• Lorsqu’une fissure rencontre un grain monoclinique maclé → Création d’un réseau de microfissures qui épuise l’énergie de la fissure principale qui ne peut plus avancer.