Notre série sur les céramiques techniques se poursuit. Cette semaine nous vous proposons de découvrir un article dédié aux céramiques oxydes.

Qu’est-ce que les céramiques techniques oxydes

Dans les matériaux céramiques industriels dits techniques, nous pouvons distinguer les oxydes et les non oxydes. Ces dernières feront l’objet d’un prochain article.

Les céramiques oxydes sont des composés chimiques inorganiques, formées par l’association d’un métal et d’un ou plusieurs atomes d’oxygènes, liés entre eux par des liaisons iono-covalentes. Elles proviennent principalement de l’extraction minière, et purifiées chimiquement. Ainsi, l’alumine qui est le matériau céramique le plus utilisé dans les applications industrielles est – initialement - un des constituants les plus abondants de la croûte terrestre. Elle vient en seconde position après la silice qui représente à elle seule 50% en masse des roches de la surface de la Terre, l’alumine en constituant 25%.

Ces matériaux oxydes peuvent également être obtenus par synthèse chimique notamment lorsque des puretés importantes (supérieures à 99%) sont requises.

Pour obtenir les caractéristiques escomptées du matériau céramique, il est important de maîtriser toutes les étapes du procédé utilisé (détaillés dans cet article) et cela commence par le contrôle des caractéristiques de la poudre (taille et forme des grains, pureté, nature de la surface, densité, etc.).

Après mise en forme, ces matériaux oxydes sont densifiés par traitement thermique sous air, alors que les non-oxydes nécessiteront des atmosphères spécifiques.

Les céramiques oxydes possèdent des propriétés remarquables, telles qu’une tenue aux hautes températures, une résistance mécanique élevée, une inertie chimique, une grande dureté, une faible densité, ainsi qu’une excellente isolation électrique. Elles se caractérisent également par leur résistance élevée à l’abrasion et aux frottements, une faible conductivité thermique et une stabilité dimensionnelle en température.

Quelques exemples :

• Alumine (Al₂O₃)
• Silice (SiO₂)
• Zircone (ZrO₂)
• Rutile (TiO₂)
• Cordiérite (2MgO,2Al₂O₃,5SiO₂)   
• Mullite (3Al₂O₃, 2SiO₂)
• Magnésie (MgO)
• Oxyde d’uranium (UO₂)

Quels secteurs d’activité utilisent les céramiques oxydes

Généralement, les céramiques oxydes peuvent se retrouver dans de nombreux domaines d’applications en raison de leurs propriétés particulières, tels que :

Electronique & Télécommunication : forte constante diélectrique et faibles pertes, idéales pour des applications telles que des antennes, des résonateurs, des filtres, …

Aéronautique et Spatial : faible densité, résistance à haute température et isolation électrique pour des applications telles que des isolants, des radomes, des connecteurs, ….

Médical : inertie chimique, résistance à l’usure, résistance mécanique, pour des applications telles que des implants, des prothèses, des comblements osseux, ….

Automobile : stabilité en température, résistance aux chocs thermiques, conduction ionique pour des applications telles que supports de catalyse, filtres à particules, sonde lambda.

Les avantages 

De par leurs propriétés intrinsèques, les céramiques oxydes répondent à de nombreuses contraintes industrielles, là où les polymères et les métaux - et même les superalliages - atteignent leurs limites.

Le traitement thermique ne nécessite pas d’équipements spécifiques, la densification des matériaux s’effectuant sous air.

Les inconvénients 

Quel que soit le procédé utilisé pour mettre en forme une pièce céramique oxyde, la maîtrise de chaque étape ne permet toutefois pas de respecter des tolérances dimensionnelles très strictes (inférieures à +/- 0,05mm). Une étape d’usinage par ultrasons ou, plus classiquement, par rectification est donc toujours nécessaire. Etant donné la grande dureté des oxydes, des outils diamantés doivent être utilisés.

Le coût

Comme mentionné ci-dessus, l’usinage est une dernière phase essentielle à l’élaboration d’une pièce céramique aux cotes recherchées. Cette étape nécessite des outils spécifiques coûteux, ainsi que des temps de réalisation qui peuvent être conséquents.

La recherche de tolérance serrées peut ainsi engendrer un surcoût significatif.

Conclusion

En conclusion, les céramiques techniques oxydes, grâce à leurs propriétés d’exception, jouent un rôle majeur dans de nombreux secteurs industriels. Leur résistance mécanique, leur réfractarité, leur faible dilatation thermique ainsi que leur inertie chimique en font des matériaux clés pour des applications variées allant de l’électronique à l’aéronautique en passant par le secteur médical et l’automobile. Cependant, obtenir ces propriétés implique de maîtriser chaque étape du procédé de mise en forme utilisé. En outre, le respect de cotes dimensionnelles serrées implique une ultime phase d’usinage qui peut expliquer le coût élevé des pièces.

Malgré ces défis, les céramiques oxydes restent des solutions inévitables face aux limites des matériaux traditionnels.

Le Centre de Transfert de Technologies Céramiques, en tant que centre technique, joue un rôle central dans le recherche et le développement sur ces matériaux.