Les céramiques

Les céramiques sont des matériaux très anciens, et si de façon courante, on les associe aux produits de terre cuite connus depuis le néolithique, les "tuiles" de la navette spatiale sont en céramique... C'est dire si ce matériau accompagne l'histoire de l'humanité, d'hier à demain et à l'heure actuelle, son emploi s'avère indispensable dans pratiquement tous les domaines de l'activité humaine.

Les céramiques techniques sont présentes dans les secteurs nucléaires, aéronautique et spatial, informatique et électronique, médical par exemple.
Bien connues du grand public, les céramiques dites " traditionnelles " sont représentées par exemple, par la porcelaine, la faïence, la poterie, ou encore les tuiles et briques, les carreaux de sols et murs et les céramiques sanitaires, et contribuent au confort de notre vie quotidienne.

Par définition, les céramiques sont des matériaux non métalliques, non organiques, et qui sont obtenus par l'action de fortes températures.

Les progrès extraordinaires de la science des matériaux ont élargi le champ des propriétés potentiellement riches en applications : propriétés électriques, magnétiques, optiques, piézoélectriques, mécaniques, nucléaires…. et la nature des matières premières, des oxydes et des non oxydes (carbures et nitrures), produits de l'industrie chimique.

	Les Applications ELECTRONIQUE ET ELECTROTECHNIQUE. MEDICAL. AERONAUTIQUE ET SPATIAL. ENERGIE ET TRANSPORT. ENVIRONNEMENT. REVÊTEMENTS CERAMIQUES. METALLURGIE ET INDUSTRIES MECANIQUES. DESIGN ET HABITAT.

Si à l'origine, l'argile, silicate d'alumine hydratée (SiO2 ALO3 H2O) constituait la matière première fondamentale pour la fabrication des céramiques décoratives, de carreaux, de sanitaires et de quelques réfractaires, l'emploi de nouvelles matières premières naturelles ou synthétiques de type alumine frittée, silice, composés silico-alumineux ou silico-magnésiens (cordiérite, mullite, stéatite) a favorisé l'essor des céramiques techniques. Les progrès de la chimie ont élargi le choix des atomes. Ces derniers, les alcalino-terreux, le carbone, l'azote ont permis de développer des phases nouvelles : oxynitrure, sialon, carbure…. utilisés dans les céramiques de pointe. La notion de matière première a donc beaucoup évolué. Il s'agit de matériaux ayant subi une préparation extrêmement complexe.

• Les poudres (oxydes, nitrures, carbures...): grâce à de nouveaux procédés d'élaboration, on obtient des poudres, de granulométrie contrôlée et d'une grande pureté chimique. Le produit final s'obtient par une mise en forme puis traitement thermique.
• Les fibres courtes monocristallines : Des fibres courtes (quelques fractions de millimètres) sont dispersées dans une matrice qui peut être organique, métallique ou céramique. Les " wiskers " de carbure de silicium servent à la réalisation de matériaux composites à forte résistance mécanique.
• Les précurseurs organométalliques : par thermolyse, certaines molécules organiques complexes donnent naissance à des carbures ou des nitrures (SiC, Si3N4…) utilisés notamment dans l'industrie réfractaire pour développer un produit de haute technicité. Enfin, l'industrie chimique a fourni aux céramistes des molécules jouant un rôle de liants ou de plastifiants (alcool polyvinylique, carboxyméthylecellulose, alginate, cire…) permettant l'accès à de nouveaux procédés de façonnage, comme le pressage à sec, l'injection thermoplastique, le coulage en bande.

Ces céramiques nouvelles s'appellent diversement céramiques fines ou céramiques techniques. Bien que très différentes des céramiques traditionnelles, il s'agit bien de céramiques, car la matière première est une poudre minérale mise en forme pour produire l'objet, et le traitement thermique est nécessaire pour lui donner les caractéristiques recherchées.

Les céramiques sont des matériaux poly-cristallins, voire polyphasés. La microstructure, tout autant que les propriétés intrinsèques des constituants, conditionnent les propriétés finales du produit. Ainsi la combinaison de grains conducteurs et de joints isolants est essentielle pour plusieurs composants céramiques (en électronique, par exemple).

Le design de microstructures particulières (inclusion de zircone, renforcement par fibre), leur confère une contrainte à la rupture aussi élevée que celle des métaux, tout en gardant une bien meilleure tenue en température.

Plus légers, ce sont des matériaux idéaux pour l'aéronautique et le spatial. Le contrôle de la porosité permet de fabriquer des produits aussi variés que des membranes (environnement, agroalimentaire), des filtres (métallurgie), des substituts à l'os (chirurgie), d'excellents isolants thermiques (réfractaires). Enfin, l'utilisation de poudres nanométriques, de matériaux à gradients de composition ouvre des perspectives très prometteuses.

L'élaboration de ces nouvelles céramiques a nécessité la mise au point de nouveaux procédés, tels que le coulage en bande, le pressage isostatique, le moulage par injection ou par extrusion. L'ajout de liants ou de plastifiants, de produits organiques comme les cires, la cellulose ou les composés acryliques, a permis de retrouver cette plasticité qui facilite beaucoup l'opération de mise en forme.

Les développements actuels visent à abaisser les coûts, à augmenter la productivité, et à limiter la complexité des opérations. De ce point de vue, les techniques de coagulation (sol-gel) fascinent par leur facilité de mise en œuvre. La céramique peut encore être élaborée sous forme de couches minces ou épaisses, avec l'avantage de n'utiliser que de faibles quantités d'une matière première souvent coûteuse. Comme revêtement, elle a une fonction de protection, par exemple contre l'usure, la corrosion et la chaleur. Elle est encore susceptible de s'intégrer avec ses spécificités (capteurs électrochimiques, mémoires ferroélectriques, électrodes transparentes…) dans des systèmes plus complexes, en particulier en électronique et en micromécanique.

Les céramiques techniques sont utilisées dans tous les grands secteurs de l'activité industrielle (voir "Les applications").

Les laboratoires d'étude et de recherche disposent d'un équipement des plus modernes et regroupent des chimistes et des physiciens organisés en axes ou thèmes de recherche tels que les Procédés Céramiques, les Procédés de Traitement de Surface, l'Organisation structurale multiéchelle des matériaux, le Comportement et la Stabilité thermochimique des réfractaires, l'Etude de la prise des liants hydrauliques, la Transformation des matières premières minérales.

La démarche pluridisciplinaire consiste à :

Assurer la maîtrise des différentes étapes intervenant dans le procédé par une analyse rigoureuse des transformations de la matière lors de sa mise en oeuvre.

Déterminer les formulations et concevoir les microstructures et architectures compatibles avec les propriétés recherchées.

Mettre en oeuvre des procédés permettant d'optimiser les performances d'usage des objets élaborés.

Caractériser les objets obtenus et leurs propriétés d'usage, structure et microstructure, ainsi que leurs propriétés électriques et mécaniques.

Les moyens expérimentaux spécifiques couvrent tous les aspects de la recherche, pour l'élaboration et la caractérisation des céramiques, mais sont aussi des centres de ressources de rayonnements et de réflectométrie X et de microscopie électronique.