Structures céramiques (suite)

Verre céramique
Les céramiques à structure entièrement vitreuse présentent certaines propriétés très différentes de celles des métaux. Rappelons que lorsque le métal à l’état liquide est refroidi, un solide cristallin précipite lorsque le point de congélation de fusion est atteint. Cependant, avec un matériau vitreux, à mesure que le liquide est refroidi, il devient de plus en plus visqueux. Il n’y a pas de point de fusion ou de congélation brusque. Il passe du liquide au solide en plastique souple et devient finalement dur et cassant. En raison de cette propriété unique, il peut être soufflé en formes, en plus d’être coulé, roulé, étiré et autrement traité comme un métal.

Le comportement vitreux est lié à la structure atomique du matériau. Si de la silice pure (SiO2) est fusionnée, un verre appelé silice vitreuse se forme lors du refroidissement. La structure unitaire de base de ce verre est le tétraèdre de silice, composé d’un seul atome de silicium entouré de quatre atomes d’oxygène équidistants. Les atomes de silicium occupent les ouvertures (interstitiels) entre les atomes d’oxygène et partagent quatre électrons de valence avec les atomes d’oxygène par liaison covalente. L’atome de silice a quatre électrons de valence et chacun des atomes d’oxygène a deux électrons de valence, de sorte que le tétraèdre de silice a quatre électrons de valence supplémentaires à partager avec le tétraèdre adjacent. Les structures de silicate peuvent se lier entre elles en partageant les atomes dans deux coins des tétraèdres SiO2, formant des structures en chaîne ou en anneau. Un réseau de chaînes tétraédriques de silice se forme, et à des températures élevées, ces chaînes glissent facilement les unes sur les autres. À mesure que la masse fondue se refroidit, l’énergie vibratoire thermique diminue et les chaînes ne peuvent plus se déplacer aussi facilement, de sorte que la structure devient plus rigide. La silice est le constituant le plus important du verre, mais d’autres oxydes sont ajoutés pour modifier certaines caractéristiques physiques ou pour abaisser le point de fusion.

Matériau cristallin ou partiellement cristallin en céramique
La plupart des céramiques contiennent généralement des éléments métalliques et non métalliques avec des liaisons ioniques ou covalentes. Par conséquent, la structure des atomes métalliques, la structure des atomes non métalliques et l’équilibre des charges produites par les électrons de valence doivent être pris en compte. Comme pour les métaux, la cellule unitaire est utilisée pour décrire la structure atomique de la céramique. Les cellules cubiques et hexagonales sont les plus courantes. De plus, la différence de rayons entre les ions métalliques et non métalliques joue un rôle important dans la disposition de la cellule unitaire.

Dans les métaux, la disposition régulière des atomes dans des plans densément emballés a conduit à l’apparition d’un glissement sous contrainte, ce qui confère au métal sa ductilité caractéristique. Dans les céramiques, la rupture fragile plutôt que le glissement est courante car la disposition des atomes et le type de liaison sont différents. Les plans de fracture ou de clivage des céramiques sont le résultat de plans d’atomes régulièrement disposés.

Les critères de construction de la structure cristalline sont:

• maintenir la neutralité
• l’équilibre de charge dicte la formule chimique
• obtenir un emballage le plus proche

Quelques-uns des différents types de matériaux céramiques en dehors de la famille du verre sont décrits ci-dessous.

Céramiques au silicate
Comme mentionné précédemment, la structure en silice est la structure de base de nombreuses céramiques, ainsi que du verre. Il a un agencement interne constitué d’unités pyramidales (tétraédriques ou à quatre faces). Quatre grands atomes d’oxygène (0) entourent chaque atome de silicium (Si) plus petit. Lorsque les tétraèdres de silice partagent trois atomes de coin, ils produisent des silicates stratifiés (talc, argile kaolinite, mica). L’argile est la matière première de base pour de nombreux produits de construction tels que la brique et la tuile. Lorsque les tétraèdres de silice partagent quatre atomes entrants, ils produisent des silicates-cadres (quartz, tridymite). Le quartz se forme lorsque les tétraèdres de ce matériau sont disposés de manière régulière et ordonnée. Si la silice à l’état fondu est refroidie très lentement, elle cristallise au point de congélation. Mais si la silice fondue est refroidie plus rapidement, le solide résultant est un agencement désordonné qui est du verre.

Ciment
Le ciment (ciment Portland) est l’un des principaux ingrédients du béton. Il existe un certain nombre de qualités de ciment différentes, mais un ciment Portland typique contiendra 19 à 25% de SiO2, 5 à 9% d’Al2O3, 60 à 64% de CaO et 2 à 4% de FeO. Les ciments sont préparés en broyant les argiles et le calcaire en proportion appropriée, en les faisant cuire au four et en les broyant. Lorsque de l’eau est ajoutée, les minéraux se décomposent ou se combinent avec de l’eau, et une nouvelle phase se développe dans toute la masse. La réaction est une solution, une recristallisation et une précipitation d’une structure de silicate. Il est généralement important de contrôler la quantité d’eau pour éviter un excès qui ne ferait pas partie de la structure et l’affaiblirait. La chaleur d’hydratation (chaleur de réaction dans l’adsorption de l’eau) dans la prise du ciment peut être importante et peut endommager les grandes structures.

Céramiques à base de nitrure
Les nitrures combinent la dureté supérieure des céramiques avec une stabilité thermique et mécanique élevée, ce qui les rend adaptées aux applications comme outils de coupe, pièces résistantes à l’usure et composants structurels à haute température. L’étain a une structure cubique qui est peut-être le plus simple et le plus connu des types de structure. Les cations et les anions se trouvent tous deux aux nœuds de réseaux fcc séparés. La structure est inchangée si les atomes de Ti et de N (réseaux) sont échangés.

Céramiques ferroélectriques
Selon la structure cristalline, dans certains réseaux cristallins, les centres des charges positives et négatives ne coïncident pas même sans application de champ électrique externe. Dans ce cas, on dit qu’il existe une polarisation spontanée dans le cristal. Lorsque la polarisation du diélectrique peut être altérée par un champ électrique, on parle de ferroélectrique. Un ferroélectrique céramique typique est le titanate de baryum, BaTiO3. Les matériaux ferroélectriques, en particulier les céramiques polycristallines, sont très prometteurs pour des domaines d’application variés tels que les transducteurs piézoélectriques / électrostrictifs et l’électrooptique.

Diagramme de phase
Le diagramme de phase est important pour comprendre la formation et le contrôle de la microstructure de la microstructure des céramiques polyphasées, tout comme c’est le cas avec les matériaux métalliques polyphasés. De plus, les structures non équilibrées sont encore plus répandues dans les céramiques car les structures cristallines les plus complexes sont plus difficiles à nucléer et à se développer à partir de la fusion.

Imperfections dans les céramiques
Les imperfections dans les cristaux céramiques comprennent des défauts ponctuels et des impuretés comme dans les métaux. Cependant, en céramique, la formation de défauts est fortement affectée par la condition de neutralité des charges car la création de zones de charges déséquilibrées nécessite une dépense d’énergie importante. Dans les cristaux ioniques, la neutralité des charges entraîne souvent des défauts qui se présentent sous la forme de paires d’ions de charge opposée ou de plusieurs défauts ponctuels voisins dans lesquels la somme de toutes les charges est nulle. Les défauts de charge neutre comprennent les défauts Frenkel et Schottky. Un défaut de Frenkel se produit lorsqu’un atome hôte se déplace dans une position interstitielle voisine pour créer une paire de cations interstitiels vacante. Un défaut de Schottky est une paire de lacunes de cations et d’anions proches. Le défaut de Schottky se produit lorsqu’un atome hôte quitte sa position et se déplace vers la surface créant une paire vacance-vacance.

Parfois, la composition peut légèrement changer pour arriver à une charge atomique plus équilibrée. Les solides tels que SiO2, qui ont une formule chimique bien définie, sont appelés composés stoechiométriques. Lorsque la composition d’un solide s’écarte de la formule chimique standard, le solide résultant est dit non stoechiométrique. La nonstoichiométrie et l’existence de défauts ponctuels dans un solide sont souvent étroitement liées. Les lacunes d’anions sont la source de la nonstoichiométrie dans SiO2-x,

L’introduction d’atomes d’impuretés dans le réseau est probable dans des conditions où la charge est maintenue. C’est le cas des impuretés électronégatives qui se substituent à un anion de réseau ou des impuretés substitutives électropositives. Ceci est plus probable pour des rayons ioniques similaires car cela minimise l’énergie requise pour la distorsion du réseau. Des défauts apparaîtront si la charge des impuretés n’est pas équilibrée.