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d'une technique millénaire, la céramique (du grec keramikos, " d'ar- gile ») est le premier matériau que l'homme ait fabriqué par transformation de matières premières 1 . C'est l'art dont les procédés ont le moins changé on façonne une pâte que l'on cuit dans un four pour effectuer la transmutation de la matière qui aboutira à un objet de céramique.

Les céramiques sont par dé?ni-

tion des matériaux non métalliques, non organiques, obtenus par l'ac- tion de fortes températures. Elles doivent leurs qualités distinctives tant à la composition de la pâte qu'aux modalités de cuisson. Les nuances de couleur, les variétés d'aspect dépendent des composants de la pâte : les métalloïdes (éléments chimiques qui ne peuvent être classés ni dans les métaux ni dans les non- métaux) qu'elle contient provoquent des

Fascinantes céramiques

! Elles évoquent aussi bien les premières créations artistiques humaines que les dernières innovations technologiques, des statuettes paléolithiques aux câbles supraconducteurs, en passant par les assiettes en porcelaine, les prothèses ou les disques de freins des voitures de sport. Tour d'horizon de cette étonnante famille. lycée professionnel, lycée technologique, matériaux, prébac, postbacLes céramiques dans tous leurs états

STéPHANE GASTON

[1] [1] Professeur de construction mécanique au lycée Denis-Papin de La Courneuve (93). 1 Le façonnage d'une assiette en céramiqueCéramiques traditionnelles

NuancesMatières premièresExemples d'emploi

Produits

poreuxTerre cuiteMarnes, argilesTuiles, briques, horticulture, art FaïenceArgile, silice, quartzVaisselle, carrelage (mur), art Produits grésésArgile, kaolin, feldspathCarrelage (sol)

Réfractaires

Argile réfractaire, silice, chamotte, alumine,

magnésie carbone-graphite...Ciment, béton, brique pour four,

Produits frittés

Produits

vitri?ésGrès cérameArgile, silice, chamotteÉviers, lavabos, baignoiresVitreousArgile, kaolin, feldspath, silice

PorcelaineArgile, kaolin, feldspath, quartzVaisselle, art, génie électrique

Verres

Silice, alumine,

oxydes, chaux, magnésieSodico-calciqueVitres, ?acons, ampoules

Crystal (oxyde de plomb) Vaisselle, art, optique

Borosilicate Résistance aux chocs thermiques

AluminosilicateRésistance à la chaleur

SpéciauxOptique, laser, ?bre optique

AbrasifsOxydes, carbures, diamantMeules, papiers abrasifs 2 Les di?érentes nuances des céramiques traditionnelles

© DR

SOURCE : GUIDE STI NATHAN

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réactions colorées différentes suivant que l'atmosphère de cuisson est oxydante ou réductrice.

Leur composition

et leurs propriétés

Il faut distinguer deux types de

céramiques :

Les céramiques traditionnelles

(silico-alumineux) sont issues de matières premières naturelles (argile, feldspath, kaolin, quartz) 2 ajoutées

à un liquide, généralement de l'eau.

Elles sont principalement mises en

oeuvre par coulée. Utilisées pour les poteries émaillées, elles ont connu ensuite une utilisation plus

étendue, allant de la porcelaine aux

sanitaires.

Les céramiques techniques (asso-

ciations métal-métalloïde) 3 sont obtenues le plus souvent par - frittage, un traitement ther- momécanique qui, dans un premier temps, provoque la cohésion de granulés de poudre avec un " agglo- méré » préparé par une compression

à froid, cette ébauche étant ensuite

chauffée dans des fours spéciaux - électrofusion, les oxydes

étant coulés directement dans un

moule.

Les céramiques techniques

Les céramistes ont été sollicités

pour développer de nouveaux maté- riaux très fiables, très perfor- mants et nécessitant l'utilisation de nouvelles technologies. De là sont nées les céramiques techniques 4 qui, dans l'industrie de pointe, sont utilisées pour leurs propriétés élec- triques, isolantes, magnétiques, optiques, supraconductrices (voir en encadré), thermiques, thermo- mécaniques...

Les céramiques

dans tous leurs états

STéPHANE GASTON

[1]

Les supraconducteurs

a supraconductivité est découverte par hasard en 1911, lors d'une expérience sur le mercure à très basse température. Pendant les 75 années qui suivirent, on ne trouva aucun alliage qui fût supraconducteur à une tem- pérature supérieure à 23 K, soit - 250 °C. Mais, en 1986, deux chercheurs d'IBM découvrent que, parmi les céramiques - pourtant réputées isolantes -, les pérovskites (oxydes métal- liques) sont supraconductrices à 35 K (- 238

°C).

Rapidement, ces matériaux permettent de

dépasser les 90 K (- 183 °C). C'est un pas décisif : jusque-là, l'hélium liquide était l'unique réfrigérant possible, tandis que l'on peut main- tenant utiliser l'azote liquide à 77 K (- 196 °C), produit industriellement à bas prix à partir d'un gaz extrêmement courant (le diazote, qui compose 78 % de l'air que nous respirons), contrairement à l'hélium liquide. C'est la nais- sance des supraconducteurs à " haute tem- pérature ».

Mais la commercialisation à grande échelle

de ces matériaux à des prix acceptables pose de nombreux problèmes, d'autant que les mécanismes de la supraconductivité des céramiques ne sont pas encore connus avec précision, et font encore l'objet de débats dans les milieux scientifiques.

Aux États-Unis, la compagnie American

Superconductor a trouvé le moyen de " plier », à l'instar du verre dans les fibres optiques, ces matériaux rigides, cassants et friables, et de créer des câbles supraconducteurs à haute température capables de porter 150 fois plus d'électricité que les câbles équivalents en cuivre. Ce sont jusqu'à 85 filaments minus- cules qui sont enfermés dans un ruban de métal de 4,4 cm de large. L'entreprise produit aussi des fils électriques en alliage enrobés d'une couche de céramique d'un micron d'épaisseur maintenus à basse température par une gaine d'azote liquide.

Le plus long câble supraconducteur du monde,

d'environ 600 m, a été inauguré à Long Island, dans l'État de New York, au printemps 2008 (voir n° 154 de mars 2008). Il peut délivrer une puissance de 574 MVA (2,4 kA,

138 kV), suffisante pour alimenter 300 000

foyers ! Outre American Superconductor, chargée de la gestion technique, deux entre- prises françaises sont intervenues sur ce chantier : Nexans a conçu le système de câblage (ci-dessous), et Air Liquide le système de réfrigération à l'azote liquide.

Outre l'énorme capacité de transport, les

avantages de cette technologie sont multi- ples : " Les pertes thermiques sont très faibles et le champ magnétique est nul, explique

Jean-Maxime Saugrain, directeur de l'activité

supraconducteurs de Nexans. La ligne n'émet donc ni chaleur ni champ électromagnétique, ce qui est un avantage énorme dans les zones urbaines à forte densité. Dans le cas de Long Island, cela a évité la construction d'une liai- son aérienne de 350 000 V. »

À la source d'applications d'un autre type, un

autre phénomène caractéristique de la supra- conductivité : la répulsion magnétique, ou effet Meissner. Un matériau supraconducteur repousse un aimant, si bien que, sous certaines conditions, celui-ci va léviter au-dessus de lui.

C'est ce principe qui est utilisé notamment

par les chemins de fer japonais pour leur train expérimental à lévitation magnétique, le

Maglev, détenteur depuis 2003 du record de

vitesse ferroviaire (581 km/h). Une démonstra- tion spectaculaire de ce phénomène, proposée par l'université de Sherbrooke (Québec), peut être visionnée sur YouTube à l'adresse suivante (rechercher " Levitation train

D'autres applications de la supraconductivité

sont d'ores et déjà développées, notamment pour réduire la taille et le poids des gros moteurs électriques des navires tout en amé- liorant leurs performances. Mais nous ne sommes qu'au début d'une aventure plus que prometteuse, comme le confirme cette décla- ration de Greg Yurek, le PDG d'American

Superconductor : " Nous sommes sur la rampe

de lancement, et prêts au décollage

Supraconductivité ou supraconduction

n.f. PHYS. Phénomène présenté par certains métaux, alliages ou céramiques, dont la résistivité électrique devient pratiquement nulle au-dessous d'une certaine température. (Le Petit Larousse illustré 2009.)

Un câble supraconducteur

de Nexans

© NEXANS

10technologie

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1661110technologie

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FonctionsQualités utiliséesCompositions

électriquesIsolant (substrats électroniques)Al 2 O 3 (alumine), BeO (oxyde de beryllium ou glycine), AlN (nitrure d'aluminium)

électroniques

Ferroélectricité (condensateurs)

BaTiO 3 (titanate de baryum), SrTiO 3 (titanate de strontium) Piézo-électricité (?ltres, transducteurs)PbZrTiO (PZT)

Semi-conductivité (thermistances, varistances)

BaTiO 3 (titanate de baryum),

SiC (carbure de silicium), ZnO (oxyde de zinc)

Conductivité ionique (sondes à oxygène)

ZrO 2 (oxyde de zirconium ou zircone), Al2O 3 (alumine)

Conductivité électronique

ReO 2 , ReO 3 , Cr2O 3 (oxyde de chrome),

VO (oxyde de vanadium), TiO (oxyde de titane)

SupraconductivitéYBaCuO (cuprates), LaSrCuO

magnétiques

Ferrites doux (têtes magnétiques, capteurs)

Fe 3 O 4 (oxyde de fer magnétique),

ZnO-Fe

2 O 3 (oxyde de zinc - oxyde de fer) Ferrites durs (aimants, unité de mémoire) (Pb, Sr) O-6 Fe 2 O 3 (Bandes et disques magnétiques)Fe 2 O 3 (oxyde de fer), CrO 2 (oxyde de chrome) chimiques (Détecteurs de gaz)

ZnO (oxyde de zinc), Fe

2 O 3 (oxyde de fer), SnO 2 (oxyde d'étain) (Catalyseurs)Cordiérite, zéolithe (Micro?ltration, membrane) Al 2 O 3 (alumine), ZrO 2 (oxyde de zirconium ou zircone) thermiques

Réfractarité (radiateurs IR)ZrO

2 (oxyde de zirconium ou zircone), TiO 2 (oxyde de titane) Réfractarité (échangeurs de chaleur)SiC (carbure de silicium) mécaniques

Tenue mécanique (outils de coupe, ?lières)

WC-Co (carbure de tungstène - cobalt),

TiC (carbure de titane), TiN (nitrure de titane)

Bon comportement à l'usure et au frottement

(joints d'étanchéité, buses, paliers, roulements)Al 2 O 3 (alumine), ZrO 2 (oxyde de zirconium ou zircone), Si 2 N 4 , SiC (carbure de silicium), B 4

C (carbure de bore)

Tenue mécanique (abrasifs)

SiO 2 (silice), Alquotesdbs_dbs18.pdfusesText_24