Soutenance mémoire
Généralités sur les céramiques
Le mot céramique vient du grec «keramos» «ƙραμοσ» dont le sens pour certains signifiait soit argile, soit poterie. Ce terme grec dérive lui-même du radical indo-européen «ƙραμ» signifiant brûler. D’où le latin crémo et cramer en français. Ceci met l’accent sur l’importance de la cuisson dans les céramiques. Les matériaux céramiques possèdent la particularité étonnant d’être à la fois la classe de matériau la plus jeune au niveau de son développement et la plus ancienne connue. Dés l’antiquité, les céramiques ont occupé une place importante dans la vie quotidienne de l’homme (poterie, terre cuite …..) grâce à leur inertie chimique, ces productions ont résistés au temps et apportent souvent une description précise sur l’état de développement et des coutumes de l’époque. De nos jours, les céramiques connaissent une diversité d’application depuis les application domestique (vaisselle, sanitaire…) de construction (brique, ciment…) jusqu’à ceux utilisées en électrotechniques (composant d’ordinateur…) et dans l’exploitation spatiale (céramique thermomécanique). [1][2] Nous nous intéressons plus spécialement aux céramiques à usage électrotechnique (ou électriques) c’est-à-dire, une famille de céramiques présentant de hautes performances électrique.
Définition
La racine grecque du mot céramique est Kéramos qui signifie argile. On trouvera dans le dictionnaire la définition du mot « céramique » : objet issu de la cuisson d’une terre argileuse qui peut être émaillée ou vitrifiée en surface pour donner de la faïence, de la porcelaine… [1] Deux définitions des matériaux céramiques sont généralement proposées selon que l’on considère une approche science des matériaux ou génie des matériaux.
❖ Pour la science des matériaux considère trois grandes classes de matériaux : les métaux, les polymères et les céramiques. Alors une céramique est un matériau inorganique, solide, à structure polycristalline, c’est à dire comportant un grand nombre de microcristaux bien ordonnés (grains) reliés par des zones moins ordonnées (joins de grains) et pores, à liaisons ioniques et/ou covalentes .
Céramiques traditionnelles : d’origine très ancienne, leurs composants sont essentiellement de multiples oxydes naturels :
– L’argile (aluminosilicate hydraté Al2Si2O5 (OH)4 ) est le constituant de base sous forme de micro-cristaux en feuillets accolés par interposition de films d’eau. Elle apporte l’aptitude au formage en pâte plastique à saturation d’eau, et perd cette eau au séchage et à la cuisson.
– La silice sous forme de petites particules de quartz cristallin, stables pendant la cuisson, limite le retrait de frittage.
– Les feldspaths ou fondants, donnent à la cuisson une phase vitreuse à bas point de fusion, qui cimente les particules de quartz et d’argile et diminue la porosité de frittage.
Leur structure est donc complexe, comprenant plusieurs phases cristallines et vitreuses en proportions variables selon la composition et la température de cuisson après hydratation et formage plastique, leur mise en œuvre comporte un séchage (perte de l’eau liquide interposées entre les particules), puis une cuisson au cours de laquelle s’effectuent la céramisation, déshydratation irréversible (perte de l’eau de constitution chimique des aluminosilicate), puis le frittage [5][6].
Céramiques techniques : ce sont des composés non hydratés au cours de leur mise en œuvre, comptant essentiellement des oxydes, carbures et nitrures. Les pièces sont élaborées par frittage de poudres obtenues par voie chimique sèche ou aqueuse. Les céramiques techniques trouvent de multiples emplois dans :
➤ Les applications réfractaires ;
➤ Les applications mécaniques ;
➤ Les applications thermo-mécaniques ;
➤ Les applications électriques et électroniques ;
➤ Les applications chimiques et biomédicales ;
Les céramiques électrotechniques
L’industrie électrique a commencé à utiliser les céramiques il y a un siècle environ, dés que s’est manifesté le besoin de matières isolant denses, imperméable et la technique, ont donné différentes classes de céramiques électrotechniques présentant des caractéristiques propres répondant à un type d’application .
Classifications des céramiques électrotechniques
➤ Les porcelaines électrotechniques (céramique à base de silicate d’alumine) : ces matériaux sont fabriqués à partir de matières premières argileuses. Ils sont caractérisés par leurs propriétés électrique, mécanique importantes ainsi, leurs technologies de fabrication relativement simples, donnent des produits bon marché (que nous allons voir en détailles dans ce chapitre).
➤ Les stéatites, forstérites : ces matériaux forment une famille de céramiques, appartenant au diagramme SiO2 -Al2O3 -MgO et contenant du talc comme constituant principale. Ils sont constitués par une phase cristalline MgO SiO3 (dans les stéatites), Mg2SiO4 (dans les forstérites) dispersée dans une masse amorphe. Leurs caractéristiques électriques sont liées à la quantité et à la composition de la phase vitreuse : les stéatites à faible perte doivent contenir très peu d’alcalin; on utilise des oxydes alcalino-terreux (CaO, BaO) sont utilisé essentiellement comme dans le domaine d’isolation haute fréquence.
➤ Céramiques à haute permittivité : ce sont des matériaux diélectriques fabriqués essentiellement à partir d’oxydes de titane, niobates et zerconates alcalins, alcalino terreux et/ou plombe. Ces céramiques sont caractérisées par une valeur élevée de la permittivité relative (εr) à température ambiante, ce qui permet leur utilisation comme condensateur .
➤ Silico-aluminates alcalino-terreux (cordiérite dense) : la cordiérite dense (2MgO, 2Al2O3, 5SiO2) appartient également au diagramme SiO2 -Al2O3 –MgO. Sa grande résistivité et sa faible dilatation linéique permet son application dans le domaine d’isolement à chaud.
➤ Silicate d’aluminium à haute teneur en alumine (mullite dense) : dans ces matériaux l’aluminium et la silice présentées à l’état combiné sous forme de mullite (3Al2O3, 2SiO2). Ils sont caractérisés par une grande résistance mécanique, un faible coefficient de dilatation et un point de fusion élevé (réfractarité).
➤ Céramiques à haute teneur en alumine : on peut la nommée aussi alumine frittée elle contient une proportion d’alumine très important qu’est supérieur à 80% plus 20% des ajouts de la chaux, de la silice et la magnésie.
➤ Céramiques spéciales à base d’autres oxydes: il s’agit de système homogène, à un seul oxyde comme constituant essentiel, ils contiennent des impuretés ou dopants, ils sont intéressants par leur point de fusion élevé, une bonne stabilité et résistance mécanique à haute température en présence d’oxygène et pour certains, par des propriétés électriques ou thermiques. Se sont : BeO, ZrO2, MgO.
Porcelaine électrotechnique
Définition d’une porcelaine diélectrique
Les porcelaines diélectriques sons des produits vitrifiés, étanches, à bonnes propriétés mécaniques et électriques. Constituer par une phase vitreuse enrobant des cristaux de différentes natures. [8] Les porcelaines sons fabriquées à partir de trois groupes de matières premières :
– Argiles et kaolin, formant les plastifiants
– Quartz, formant l’ossature, et éventuellement, alumine
– Feldspaths, formant les fondants .
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I Généralités Sur Les Céramiques
Introduction
I-1 – Définition
I- 2-Les céramiques électrotechniques
I -2-1 Classifications des céramiques électrotechniques
I-3 porcelaine électrotechnique
I-3-1 Définition d’une porcelaine diélectrique
I-3-2 Classification de la porcelaine électrotechnique
I-3-3 Liaisons, Structures et propriétés de la porcelaine
I-4- Matières premières pour l’élaboration de la porcelaine électrotechnique
I-4-1- Généralité sur les matières les premières
I-4-2-Méthodes de détermination de la granulométrie
I-4-3- Classification de matières premières
I-5- L’application de porcelaine
I-6 – Les grandes caractéristiques des céramiques
I-7 – Les domaines d’applications
I-8- Procédé de fabrication des céramiques électrotechniques
I-8-1-Procédés de fabrication
I-8-2-Préparation de la poudre
I-8-2-1 Définition
I-8-3 Préparations de la composition
I-8-4 Façonnages
I-8-5 Traitement thermique
I-8-5-1-Le séchage
I-8-5-2-La cuisson
I-8-5-3-Le frittage
I-8-6- Emaillage
I-8-7- Contrôle de qualité
I-9 Principales caractéristiques physico-chimiques des matériaux électrotechniques et leurs déterminations
I-9-1- Méthodes physiques
I-9-1-1- Propriétés diélectriques
A- La permittivité relative ou Constante diélectrique
B- Facteur de dissipation diélectrique tg δ
C- Les résistances et les résistivités d’un isolant solide
I-9-2- Caractères et mécanisme du claquage d’un isolant solide
I-9-2-1 Caractères du claquage
I-9-3 Propriétés thermiques
I-9-3-1 Réfractarité
I-9-3-2 Coefficient de dilatation thermique
I-9-3-3 Conductivité thermique
I-9-4 Propriétés mécaniques
I-9-4-1 Résistances mécaniques
I-9-4-2 Caractéristiques principales, mécaniques et thermiques d’une porcelaine isolante
I-9-5-Méthodes physico-chimiques
I-9-5-1 Observation microscopique
I-9-5-2 Analyse par diffraction des rayons X (DRX)
I-9-5-3 Méthodes chimiques
I-9-5-3-1 Absorption de l’humidité
I-9-5-3-2 Résistance aux bases fortes (KOH ou NaOH)
I-9-5-3-3 Résistance aux acides forts (H2SO4)
I-9-6 Les méthodes d’analyse thermiques
I-9-6-1- L’analyse thermique différentielle
I-9-6 2- L’analyse thermique bidifférentielle
I-9-6-3- Quelques types des courbes d’analyse thermique
I-9-6-4- Les facteurs influençant l’analyse thermique différentielle
I-9-6-5- L’analyse thermique gravimétrique (ATG)
Chapitre II : Présentation Des Matériaux
II- Introduction
II-1 Le kaolin
II-1-1 Origine
II-1-2 Composition chimique
II-1-3 Caractéristiques structurales du kaolin
II-1-4 Propriétés optiques
II-1-5 Propriétés physico-chimiques
II-1-6 Propriétés thermiques
II-1-7 Autres propriétés
II-1-8 Les domaines d’utilisations
II-2 Le Feldspath
II-2-1 Origine
II-2-3 compositions chimiques
II-2-4 Les caractéristiques des feldspaths
II-2-5 Caractéristiques structurales du kaolin
II-2-6 Autres propriétés
II-2-7 Les domaines d’utilisations
II-3 La Silice
II-3-1 Origine
II-3-2 Les caractéristiques du quartz
II-3-3 Caractéristiques structurales du quartz
II-3-4 Utilisations et spécifications industrielles
II-4 Diagrammes de phase des matériaux
II-5 Conclusion
Chapitre III : Techniques d’élaboration et caractérisations
Introduction
III-1- Procédés de fabrication des produits céramiques
III-1-1- Présentation des matériaux
III-1-1-1-Propriétés des matériaux
III-1-1-2- composition chimique
III-1-2- Granulométrie
III-1-3- Broyage
III-1-4- Préparation des mélanges
III-1-5- Mise en forme
III-1-6- Traitement thermique
A) Séchage
B) Cuisson
III-2- Caractérisations physico-chimiques
III-2-1- Mesure de la porosité ouverte (absorption de l’eau)
III-2-2- Mesure de la rigidité diélectrique des isolants solides en tension alternative
III-2-3- Mesure des pertes diélectriques des isolants solides
III-2-4-Mesure de la résistivité ρ
III-3-Traitement chimique
III-3-1 Attaque acide
III-3-2 Attaque basique
III-4-Analyse par diffraction des rayons X
III-5-Analyse thermique différentielle et thermogravimétrie (ATD et ATG)
III-6 Conclusion
Conclusion Générale
