Nombre Parcourir:0 auteur:Éditeur du site publier Temps: 2026-02-12 origine:Propulsé
1. Les céramiques avancées sont progressivement devenues un composant important des nouveaux matériaux.
Les céramiques sont des matériaux et divers produits obtenus par broyage, mélange, façonnage et cuisson de l'argile comme matière première principale avec d'autres minéraux naturels. Ils sont collectivement appelés poterie et porcelaine. Le concept traditionnel de céramique fait référence à tous les produits industriels artificiels fabriqués à partir de minéraux inorganiques non métalliques comme l'argile. Il comprend divers produits formés par mélange, façonnage et cuisson d'argile ou de mélanges contenant de l'argile. La principale matière première de la céramique est constituée de minéraux silicatés dérivés de la nature, elle appartient donc à « l'industrie des silicates » avec le verre, le ciment, l'émail et les matériaux réfractaires.
Au sens large, les matériaux céramiques désignent tous les matériaux autres que les matériaux organiques et métalliques, à savoir les matériaux inorganiques non métalliques. Les produits en céramique sont très variés. Leur composition chimique, leur composition minérale, leurs propriétés physiques et leurs méthodes de fabrication se chevauchent et s’entrelacent souvent, sans limites claires, mais présentent pourtant des différences significatives dans leurs applications. Il est donc difficile de les catégoriser de manière rigide en plusieurs systèmes. Les méthodes de classification varient et il n’existe jusqu’à présent aucune méthode de classification unifiée au niveau international. Selon les techniques de préparation et les domaines d'application des céramiques, elles peuvent être classées en matériaux céramiques traditionnels et matériaux céramiques avancés.
Céramique traditionnelle : Au sens traditionnel, la céramique fait référence à divers produits fabriqués à partir d'argile et de ses minéraux naturels grâce à des processus tels que le broyage, le mélange, le moulage et la cuisson. Ces produits sont généralement appelés « céramiques ordinaires » ou céramiques traditionnelles. Citons par exemple la céramique domestique et la céramique de construction et sanitaire.
Céramiques avancées : selon leur composition chimique, elles peuvent être classées en céramiques d'oxydes, céramiques de nitrures, céramiques de carbures, céramiques de borure, céramiques de siliciure, céramiques de fluorure, céramiques de sulfure, etc. Selon leurs performances et leurs applications, elles peuvent être divisées en deux grandes catégories : les céramiques fonctionnelles et les céramiques structurelles. Les céramiques fonctionnelles reposent principalement sur les fonctions spéciales des matériaux, notamment les propriétés électriques, le magnétisme, les caractéristiques biologiques, la sensibilité thermique et les propriétés optiques, etc., notamment les céramiques isolantes et diélectriques, les céramiques ferroélectriques, les céramiques piézoélectriques, les semi-conducteurs et leurs céramiques sensibles, etc. Les céramiques structurelles reposent principalement sur les applications mécaniques et structurelles des matériaux, ayant une résistance élevée, une dureté élevée, une résistance aux températures élevées, une résistance à la corrosion et une résistance à l'oxydation, etc.
1.1 Céramiques structurelles : les matériaux de haute qualité les plus prometteurs pour les applications en environnements extrêmes
Les céramiques structurelles, en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques et thermiques, sont devenues une branche importante des matériaux céramiques, représentant environ 30 % de l'ensemble du marché de la céramique. Au cours des deux dernières décennies, les grands projets nationaux et les technologies de pointe ont également imposé des exigences et des défis plus élevés aux matériaux céramiques et à leurs technologies de préparation : par exemple, les roulements en céramique de nitrure de silicium utilisés dans les turbopompes à hydrogène liquide et à oxygène liquide pour les lancements de fusées dans l'industrie aérospatiale fonctionnent à des vitesses élevées sans glissement dans des conditions de température extrêmement basses, exigeant une résistance élevée, de bonnes propriétés initiales, une résistance à l'usure et une précision d'usinage de surface élevée ; les bagues d'étanchéité en céramique de grande taille utilisées dans les pompes principales des centrales nucléaires nécessitent une longue durée de vie et une fiabilité élevée, en particulier les réflecteurs en céramique de carbure de silicium utilisés dans la surveillance des cibles au sol par satellite terrestre pour l'imagerie, en plus d'avoir un module d'élasticité élevé, un faible coefficient de dilatation thermique et un poids léger, nécessitent également des surfaces ultra-miroirs de haute précision et une grande taille, ce qui pose un défi à la technologie de formage, à la technologie de frittage et à la technologie de traitement des céramiques structurelles de grande taille. Et les fiches en céramique des connecteurs de fibres de communication optique, avec un trou intérieur de 125 micromètres, nécessitent une douceur de surface, une précision de taille et une concentricité extrêmement élevées.
En termes de propriétés mécaniques, le point de fusion élevé et la large plage de températures d’utilisation ont jeté les bases de l’application des matériaux céramiques dans le domaine des structures. Les matériaux organiques sont principalement liés par des liaisons moléculaires, tandis que les matériaux métalliques sont principalement liés par des liaisons métalliques. Les matériaux céramiques sont principalement liés par des liaisons ioniques et des liaisons covalentes, de sorte que le point de fusion des matériaux céramiques est le plus élevé. Dans le même temps, la température de service à long terme des matériaux céramiques sous charge est également stable au-dessus de 1 000 ℃. Par rapport aux matériaux métalliques, la température de service actuelle la plus élevée est celle des alliages à haute température, inférieure à 1 200 ℃. Lorsqu'elle est soumise à une charge, la température de service est supérieure à 1 000 ℃.
De plus, la haute résistance et la résistance à l’usure des matériaux céramiques les distinguent dans le choix des matériaux dans le domaine des structures. Comparés aux matériaux organiques et aux matériaux métalliques, dans les mêmes conditions de densité, de rigidité spécifique et de coût, les matériaux céramiques ont la résistance la plus élevée. Cela détermine que les matériaux céramiques peuvent être mieux appliqués dans des environnements plus exigeants. De plus, selon l'institut de recherche sur la métallurgie des poudres de l'Université Central South, la résistance à l'usure des matériaux céramiques est équivalente à 266 fois celle de l'acier au manganèse et à 171,5 fois celle de la fonte à haute teneur en chrome.
En termes de propriétés thermiques, les excellentes conductivité thermique, propriétés de dilatation thermique et résistance aux chocs thermiques des matériaux céramiques leur confèrent une position irremplaçable dans de nombreux domaines d'application par rapport à d'autres matériaux tels que les métaux. Par rapport aux matériaux organiques, les matériaux céramiques et les matériaux métalliques ont une meilleure conductivité thermique. Cependant, dans des conditions de température élevée, le coefficient de dilatation thermique et la résistance à la rupture sous contrainte thermique des matériaux céramiques sont inférieurs à ceux des matériaux métalliques, ce qui signifie que les matériaux céramiques peuvent résister à des chocs thermiques plus importants à des températures élevées et constituent les meilleurs matériaux dans des environnements extrêmes.
L’inconvénient majeur des matériaux céramiques structurels est leur fragilité. Actuellement, la recherche et le développement de matériaux céramiques structurels sont passés de l'orientation précédente axée sur les caractéristiques monophasées et de haute pureté à une orientation composite multiphasée, y compris les composites à matrice céramique renforcés par des fibres (ou moustaches), les matériaux céramiques auto-renforçants et les céramiques nano-composites, etc., ce qui a considérablement amélioré les performances des matériaux céramiques structurels.
1.1.1 Céramiques à oxydes
Les liaisons atomiques des matériaux céramiques oxydes sont principalement des liaisons ioniques, avec quelques liaisons covalentes présentes. Ils possèdent donc de nombreuses excellentes propriétés. La plupart des oxydes ont des points de fusion élevés, de bonnes propriétés d'isolation électrique, en particulier une excellente stabilité chimique et une excellente résistance à l'oxydation. Ils ont été largement appliqués dans le domaine de l’ingénierie. Selon leurs composants, ils peuvent être classés en céramiques à oxyde unique (telles que l'alumine, l'oxyde de béryllium, les céramiques de dioxyde de titane, etc.) et en céramiques à oxydes composites (telles que le spinelle MgO·Al2O3, la mullite 3Al2O3·2SiO2, les céramiques PZT au titanate de zirconate de plomb, etc.).
Céramiques d'alumine : les céramiques structurelles les plus anciennes développées et les plus largement appliquées
En ce qui concerne la préparation de céramiques d'alumine, les méthodes actuellement disponibles dans le commerce comprennent le procédé Bayer, le procédé chimique, le procédé de frittage de corindon en forme de plaque et le procédé de corindon par électrofusion. Parmi eux, le procédé Bayer est le plus utilisé. Le procédé Bayer permet de produire de la poudre d'alumine de qualité métallurgique et industrielle d'une pureté de 99,5 %, mais elle contient principalement des impuretés telles que l'oxyde de sodium. Plus tard, le processus chimique est apparu, qui peut produire une poudre d'alumine fine de haute pureté avec une pureté de 99,99 %, communément classée comme alumine de haute pureté ou alumine 4N. En outre, en fonction des techniques de fabrication et des propriétés souhaitées, les céramiques d'alumine peuvent être classées en diverses formes de produits telles que des plaques très résistantes à l'usure, des composants céramiques de précision et des céramiques d'alumine transparentes comprenant des substrats, des isolants, des pièces d'usure et des biocéramiques.
Dans le domaine d'application, les céramiques d'alumine peuvent actuellement être utilisées dans les domaines mécaniques pour les composants résistants à l'usure tels que les joints et les buses, dans le secteur de l'énergie pour les composants d'isolation résistants aux hautes températures et dans le domaine des semi-conducteurs pour les substrats céramiques, etc. De plus, elles sont largement utilisées dans les implants biomédicaux, les outils de coupe, les revêtements résistants à l'usure et les pièces d'isolation haute tension, démontrant leur polyvalence dans plusieurs industries de haute technologie.
Céramiques de zircone : L'amélioration de la ténacité des céramiques structurelles hautes performances est la clé de leur production.
Les applications traditionnelles de la zircone incluent principalement son utilisation comme matière première pour les matériaux réfractaires, les revêtements et les glaçures, etc. Cependant, grâce à une compréhension plus approfondie des propriétés thermodynamiques et électriques de la céramique de zircone, il est devenu possible de l'utiliser largement comme céramique structurelle haute performance telle que les roulements, les vannes et les lames de coupe et les matériaux diélectriques solides comme les capteurs d'oxygène et les électrolytes des piles à combustible à oxyde solide (SOFC). Surtout avec l'étude approfondie du processus de transformation de phase de la zircone, des matériaux de trempe en céramique de zircone sont apparus dans les années 1970, qui ont considérablement amélioré les propriétés mécaniques des matériaux en céramique de zircone, conduisant à la zircone stabilisée à l'yttria (YSZ), à la zircone stabilisée à la magnésie (MSZ) et à la zircone partiellement stabilisée (PSZ), en particulier la ténacité à haute température ambiante se classant au premier rang parmi les matériaux céramiques.
Du côté de la préparation, le durcissement est l'objectif principal et la méthode la plus courante consiste à ajouter des stabilisants comme l'yttrium (Y₂O₃), la magnésie (MgO) ou l'oxyde de cérium (CeO₂). La zircone est entièrement dérivée du sable de zircon et du minerai de baddeleyite. Le sable de zircon est principalement composé de silicate de zirconium (ZrO₂·SiO₂), tandis que le minerai de baddeleyite est dominé par ZrO₂, avec des impuretés mineures telles que SiO₂ et TiO₂.
Dans le passé, la zircone était exclusivement produite à partir de ces deux minéraux naturels comme matières premières. Cependant, les micropoudres de zircone facilement frittables utilisées pour les céramiques techniques sont fabriquées à partir de sels de zirconium, eux-mêmes préparés à partir des minéraux naturels susmentionnés.
La zircone existe sous trois formes cristallines : cubique (c), tétragonale (t) et monoclinique (m). L'analyse thermodynamique montre que la zircone monoclinique pure est stable en dessous de 1 170 ℃ ; au-dessus de cette température, elle se transforme en phase tétragonale. Lorsque la température atteint 2 370 ℃, elle se convertit en phase cubique, qui reste stable jusqu'à ce que la fusion se produise à 2 680-2 700 ℃. Ce processus de transition de phase est réversible et est au cœur du mécanisme de trempe par transformation dans les céramiques de zircone avancées comme le Y-TZP (Yttria-Tetragonal Zirconia Polycristal).
Pendant le refroidissement depuis des températures élevées jusqu'au point de transition tétragonal-monoclinique, une hystérésis de transformation de phase se produit : la phase tétragonale (phase t) ne se convertit en phase monoclinique (phase m) qu'à environ 1 050 ℃, soit environ 100 ℃ de moins que la température de transition théorique. Ce processus est connu sous le nom de transformation martensitique, accompagné d'une expansion volumique de 5 à 9 %. Un tel changement de volume dépasse la limite élastique des grains de ZrO₂, conduisant à une fissuration du matériau.
Par conséquent, du point de vue de la thermodynamique et de la transformation de phase cristalline, il est presque impossible de préparer des matériaux ZrO₂ purs. Pour éviter cette transition de phase, des oxydes divalents (CaO, MgO, SrO) et des oxydes de terres rares (Y₂O₃, CeO₂) peuvent être utilisés comme stabilisants pour former une solution solide avec ZrO₂, donnant une structure cristalline cubique stable. A noter que ces oxydes stabilisants ne peuvent exercer un effet stabilisant que lorsque le rayon de leurs ions métalliques diffère de celui du Zr⁴⁺ de moins de 40 %.
Dans le domaine d'application, les céramiques de zircone (en particulier celles de type renforcé telles que la zircone renforcée par transformation et la zircone YSZ stabilisée à l'yttria) ont été largement utilisées dans divers domaines industriels et techniques en raison de leurs excellentes propriétés. Surtout, grâce à ses propriétés mécaniques exceptionnelles et sa résistance aux hautes températures, il est utilisé comme matériau de structure dans l'ingénierie mécanique (comme les outils en céramique, les outils de mesure, les roulements, les moules, les joints, etc.), l'industrie métallurgique (creusets, matériaux réfractaires, buses de coulée continue, supports de compression, rouleaux de guidage, etc.), l'industrie militaire (couches d'isolation pour fusées, plaques de blindage pare-balles), l'industrie chimique, l'industrie textile, la bio-ingénierie, y compris les couronnes dentaires, les implants orthopédiques et les rotules de hanche. la vie quotidienne, etc.
Céramiques d'oxyde de magnésium : un matériau clé dans l'industrie métallurgique moderne
Les céramiques d'oxyde de magnésium sont un type typique de nouvelles céramiques et font également partie des matériaux réfractaires traditionnels. L'oxyde de magnésium lui-même présente une forte résistance à l'érosion des solutions métalliques alcalines. Les creusets en céramique d'oxyde de magnésium préparés, y compris les creusets MgO de haute pureté et les creusets en magnésie fondue, possèdent d'excellentes propriétés chimiques et une excellente stabilité pour résister à l'érosion des métaux, et ne réagissent pas avec le magnésium, le nickel, l'uranium, l'aluminium, le molybdène, etc. Sous atmosphère oxydante ou sous protection d'azote, les céramiques d'oxyde de magnésium telles que les revêtements de four, les tubes de thermocouple et les substrats isolants peuvent fonctionner de manière stable jusqu'à 2 400 ℃. L’oxyde de magnésium est donc un matériau clé dans les processus avancés de l’industrie métallurgique moderne.
Côté préparation, les matières premières proviennent de minéraux ou d’eau de mer. Pendant le processus de frittage, des additifs doivent être ajoutés pour ajuster les propriétés. Les composés contenant du magnésium sont abondants dans la nature et existent sous diverses formes minérales dans la croûte terrestre et dans l'océan, comme la magnésite, la dolomite, la willémite et le talc. Industriellement, le MgO, généralement sous forme de magnésie brûlée à mort ou de magnésie fondue, est principalement extrait des minéraux ci-dessus. Récemment, l’extraction de l’eau de mer a également été développée pour produire de la magnésie d’eau de mer. Lors de l’extraction de MgO à partir de minéraux ou d’eau de mer, la majeure partie du processus consiste d’abord à préparer de l’hydroxyde de magnésium ou du carbonate de magnésium, puis, par calcination, à le décomposer en MgO pour produire de la magnésie calcinée. Ce MgO peut être ensuite traité par traitement chimique ou traitement thermique pour obtenir du MgO de haute pureté adapté aux qualités céramiques avancées. Après traitement des matières premières MgO, les ingrédients sont mélangés selon la composition. Pour favoriser le frittage et faire légèrement grossir les grains, et pour réduire la tendance à l'hydratation lors de la préparation, certains additifs tels que TiO2, Al2O3, V2O3, etc. peuvent être ajoutés. Si des céramiques MgO de haute pureté telles que des céramiques MgO transparentes ou des isolants électriques haute densité sont nécessaires, la méthode visant à favoriser le frittage et la croissance des grains en ajoutant des additifs ne peut pas être utilisée. Au lieu de cela, la méthode de frittage par activation est adoptée, c'est-à-dire que le Mg(OH)2 est calciné à une température appropriée pour obtenir du MgO actif présentant de nombreux défauts de réseau, qui est utilisé pour fabriquer des céramiques d'oxyde de magnésium frittées, notamment des creusets, des tubes et des substrats pour des applications spécialisées.
Dans le domaine d'application, la température de fonctionnement théorique des céramiques d'oxyde de magnésium, y compris les produits en magnésie frittée et en magnésie fondue, peut atteindre jusqu'à 2 200 ℃, et elles peuvent être utilisées en continu dans la plage de 1 600 ℃ à 1 800 ℃. Leur stabilité à haute température et leur résistance à la corrosion sont supérieures à celles des céramiques d'alumine. De plus, ils ne réagissent pas avec Fe, Ni, U, Th, Zn, Al, Mo, Mg, Cu, Pt, etc. Par conséquent, leur champ d'application peut inclure : les creusets ou autres matériaux réfractaires tels que les briques de revêtement et les buses de coulée dans les industries métallurgiques dans des conditions corrosives telles que celles de la production d'acier et de verre. Les céramiques d'oxyde de magnésium peuvent être utilisées comme creusets pour la fusion des métaux et conviennent également à la fusion de l'uranium et du thorium de haute pureté dans l'industrie de l'énergie atomique ; ils peuvent également être utilisés comme manchons de protection pour les thermocouples. En profitant de sa propriété de laisser passer les ondes électromagnétiques, il peut être utilisé comme dôme radar et comme matériau de fenêtre de projection de rayonnement infrarouge, ainsi que comme creusets pour la fusion de métaux, d'alliages tels que les alliages de nickel, les métaux radioactifs, les alliages d'uranium et de thorium, le fer et ses alliages, etc. Il peut également être utilisé comme matière première pour les matériaux piézoélectriques et supraconducteurs, et est non polluant, résistant à la corrosion du plomb, etc. comme les plaques de pose et les meubles de four, en particulier pour les produits céramiques contenant des substances corrosives et volatiles à haute température telles que le β-Al2O3.
Céramiques de béryllium d'oxyde : Céramiques d' oxydes ayant la conductivité thermique la plus élevée , mais la toxicité de la poudre limite son application.
BeO est la seule structure hexagonale de wurtzite parmi les oxydes de métaux alcalino-terreux. En raison de la structure wurtzite et de la forte liaison covalente de BeO, ainsi que de son poids moléculaire relativement faible, BeO a une conductivité thermique extrêmement élevée, environ 10 fois supérieure à celle de l'alumine. Sa conductivité thermique à température ambiante peut atteindre 250 W/(m·K), comparable à celle des métaux, et ses propriétés électriques, sa résistance à la chaleur, sa résistance aux chocs thermiques et sa stabilité chimique sont toutes excellentes à hautes températures et hautes fréquences, ce qui le rend adapté aux dissipateurs thermiques hautes performances et aux matériaux de fenêtres à micro-ondes. Cependant, l’inconvénient fatal des céramiques BeO communément appelées céramiques béryllia est leur toxicité extrêmement élevée. L'inhalation à long terme de poussière de BeO peut provoquer un empoisonnement et même mettre la vie en danger, et elle entraînera également une pollution de l'environnement, ce qui affectera grandement la production et l'application de substrats et de composants en céramique BeO tels que les boîtiers de tubes laser et les boîtiers de transistors RF.
Dans le domaine d'application, les céramiques d'oxyde de béryllium telles que les dissipateurs de chaleur BeO et les emballages hermétiques possèdent une conductivité thermique élevée, un caractère réfractaire élevé, d'excellentes propriétés nucléaires et d'excellentes propriétés électriques. Par conséquent, ils peuvent être appliqués dans des matériaux réfractaires avancés et comme multiplicateurs de neutrons dans les réacteurs à fusion, les réacteurs à énergie atomique et divers dispositifs électroniques et circuits intégrés de haute puissance, notamment les systèmes radar et les modules de communication par satellite, etc. Cependant, la toxicité de l'oxyde de béryllium ne peut être ignorée. Alors que les pays du monde entier attachent de plus en plus d'importance à la protection de l'environnement, l'utilisation de céramiques d'oxyde de béryllium, malgré son rôle irremplaçable dans certains systèmes de gestion thermique militaires et aérospatiaux, pourrait être soumise à certaines restrictions et influences à l'avenir.
Mullite : Terme général désignant les minéraux composés de silicate d’aluminium .
La mullite est un matériau réfractaire de haute qualité. Ce type de minéral est relativement rare. La mullite est un minéral formé par la réaction du silicate d'aluminium à haute température. Lorsque le silicate d’aluminium est chauffé artificiellement, de la mullite se forme. Le cristal naturel de mullite est mince en forme d’aiguille et en forme d’amas rayonnant. Le minerai de mullite est utilisé pour produire des matériaux réfractaires à haute température. Il est souvent utilisé comme revêtement de barrière thermique dans les matériaux composites C/C et est largement appliqué. La mullite est une solution solide binaire stable dans le système d'éléments AI2O3-SiO2 à pression normale. La mullite naturelle de formule chimique AI2O3-SiO2 est très rare et est généralement synthétisée par des méthodes telles que le frittage ou l'électrofusion.
La mullite utilisée dans les applications industrielles à grande échelle à haute température est classée en deux types principaux en fonction de sa méthode de préparation : la mullite électriquement fondue couramment utilisée dans les briques réfractaires et les bétons monolithiques et la mullite frittée. La mullite est un matériau réfractaire de haute qualité. Il a été découvert pour la première fois sur l’île de Mull en Écosse et doit son nom à cet endroit. Les composants d'aluminium et de silicium de la mullite forment une gamme et peuvent exister de manière stable à température et pression normales. La mullite naturelle est relativement rare et est généralement préparée par traitement thermique de composés aluminium-silicium pour produire des agrégats et des grains de mullite artificielle. La synthèse de la mullite peut être divisée en synthèse en phase solide (y compris le procédé sol-gel traditionnel (SSG)), synthèse en phase liquide et synthèse en phase gazeuse. La mullite synthétisée par des méthodes en phase solide et en phase liquide peut être classée comme mullite frittée généralement utilisée dans les meubles de four et les filtres en céramique et comme mullite fondue en fonction de la température de chauffage et de la composition de l'aluminium-silicium. La mullite frittée fait référence au chauffage des matières premières de mullite synthétisée à une température qui génère une petite quantité de phase liquide, favorisant le frittage sans affecter le frittage en phase solide, puis en la maintenant à une température permettant à la mullite de cristalliser et de croître, formant la morphologie et la structure de mullite souhaitées. La mullite fondue est formée en chauffant le mélange d'alumine et de silice au-dessus du point de fusion de la mullite et en cristallisant pendant le processus de refroidissement pour produire des grains de mullite fondue de haute pureté pour les applications réfractaires avancées. La méthode sol-gel de préparation de la mullite est également connue sous le nom de mullite chimique, qui est une mullite obtenue par réactions chimiques, décomposition thermique et formation de mullite, donnant lieu à de fines poudres de mullite pour les céramiques et revêtements techniques. Les performances de la mullite préparée par cette méthode dépendent fortement de la pureté, de l'uniformité, de la température de cristallisation et de la densité du composé.
Dans le domaine d'application, les nouveaux matériaux réfractaires à base de mullite sont actuellement largement utilisés dans les équipements à haute température tels que les fours à moufle, les fours de calcination, les chaudières et les fours rotatifs. L'utilisation de mullite pour fabriquer des équipements à haute température garantit non seulement une résistance aux températures élevées, mais présente également une longue durée de vie et une résistance à la corrosion. La mullite, lorsqu'elle est combinée avec d'autres matériaux de haute qualité, peut se compléter mutuellement et former des matériaux réfractaires offrant de meilleures performances. Par exemple, en utilisant des composants de four en céramique composites corindon-mullite, le matériau résultant présente les avantages d'un faible coefficient de dilatation thermique, d'une excellente résistance aux chocs thermiques, d'un caractère réfractaire élevé et d'une bonne stabilité à haute température. De plus, l’application de la mullite dans le domaine des performances électriques démontre son excellent matériau de base. Il a une constante diélectrique très faible et peut gérer des densités de circuits élevées. Les céramiques mullite et les composites vitrocéramiques à base de mullite sont utilisés comme d'excellents matériaux fonctionnels pour les circuits intégrés hautes performances.
1.1.2 Céramiques azotées
Les céramiques nitrurées sont des céramiques formées en combinant de l'azote avec des métaux ou des éléments non métalliques. Il s’agit d’un type de matériaux structurels et fonctionnels importants.
Les céramiques nitrurées possèdent d'excellentes propriétés mécaniques, chimiques, électriques, thermiques et physiques à haute température. Ils ont de nombreuses applications dans des secteurs tels que la métallurgie, l'aviation, le génie chimique, la céramique, l'électronique, les machines et les semi-conducteurs. Cependant, de nombreux nitrures composés d’azote et d’éléments métalliques sont instables à haute température et sujets à l’oxydation. Ils ne peuvent donc pas exister librement dans la nature et ne peuvent être synthétisés que artificiellement. Actuellement, les principales méthodes de synthèse des nitrures incluent des types de liaisons covalentes telles que le nitrure de bore, le nitrure d'aluminium et le nitrure de silicium.
Céramique de nitrure d'aluminium : le matériau structurel idéal pour les substrats de circuits et les emballages dans l' industrie microélectronique
Le nitrure d'aluminium (AlN), en tant que nouveau type de matériau céramique, est devenu ces dernières années l'un des points chauds de la recherche dans le domaine des nouveaux matériaux. Bien que la poudre d’AlN ait été synthétisée et produite il y a plus de cent ans, en raison de sa difficulté inhérente à son frittage, peu d’études ont été menées sur l’AlN au cours des décennies suivantes. Dans les années 1950, des céramiques AlN telles que des creusets de base et des composants simples ont été produites pour la première fois, mais à cette époque, leur résistance était très faible, ce qui limitait leur application industrielle. Dans les années 1970, des céramiques denses en nitrure d'aluminium comprenant des substrats thermoconducteurs et des boîtiers en céramique ont été préparées, et une série d'excellentes caractéristiques telles qu'une excellente conductivité thermique, une isolation électrique fiable, une résistance aux températures élevées, une résistance à la corrosion, une faible constante diélectrique et un coefficient de dilatation thermique correspondant à celui du silicium ont été révélées. Surtout ces dernières années, avec le développement rapide de la technologie microélectronique, les appareils électroniques deviennent de plus en plus multifonctionnels, miniaturisés et hautement intégrés. Les appareils électroniques haute puissance génèrent une grande quantité de chaleur pendant leur fonctionnement. Pour éviter la défaillance des appareils électroniques due à une surchauffe, un substrat tel que des substrats en cuivre à liaison directe (DBC) et des circuits céramiques à couche épaisse à haute conductivité thermique est nécessaire pour évacuer la chaleur. L'AlN possède une excellente conductivité thermique et constitue un matériau idéal pour la nouvelle génération de substrats, en particulier les substrats LED haute puissance, les boîtiers RF/micro-ondes et les composants d'équipements de traitement de semi-conducteurs tels que les mandrins électrostatiques et les plaques chauffantes. Son excellente résistance à la corrosion à haute température, sa stabilité à haute température, sa haute résistance et sa dureté lui confèrent un grand potentiel d'application dans les matériaux structurels à haute température, notamment les tubes de protection, les échangeurs de chaleur et les composants des systèmes aérospatiaux.
Le nitrure d'aluminium, en tant que composé covalent, est difficile à subir un frittage en phase solide. Habituellement, la méthode de frittage en phase liquide est adoptée, c'est-à-dire que des auxiliaires de frittage capables de générer une phase liquide sont ajoutés à la poudre de matière première de nitrure d'aluminium, et la dissolution génère une phase liquide pour favoriser le frittage.
En tant que matériau synthétisé artificiellement, le processus de préparation des céramiques de nitrure d'aluminium implique généralement d'abord la synthèse de poudre de nitrure d'aluminium, puis le frittage de la poudre obtenue pour former des céramiques. En raison de la composante covalente élevée de la liaison aluminium-azote (Al-N) dans le nitrure d'aluminium, le point de fusion du nitrure d'aluminium est élevé, le coefficient d'auto-diffusion est faible et l'activité de frittage est faible. Il s’agit donc d’un matériau céramique difficile à fritter. Selon l'éditeur de China Powder Network, lorsque la pureté de la poudre de nitrure d'aluminium est élevée, il est très difficile d'obtenir une densification complète par frittage, et il existe des pores dans les grains de céramique ou aux joints des grains, ce qui limite considérablement l'application pratique de la céramique de nitrure d'aluminium. L'introduction d'adjuvants de frittage appropriés peut, d'une part, réagir avec l'Al2O3 formé à la surface de l'AlN pour générer une deuxième phase avec un point de fusion plus bas, en raison de l'effet de tension superficielle de la phase liquide, favorisant le réarrangement des grains d'AlN et accélérant le processus de densification du corps fritté. D'autre part, la deuxième phase formée, après refroidissement, précipite et se condense sur les joints de grains, réduisant ainsi la possibilité que l'oxygène pénètre dans le réseau à haute température et jouant un rôle dans la purification du réseau et l'amélioration de la conductivité thermique. Actuellement, les adjuvants de frittage couramment utilisés comprennent principalement des oxydes et des fluorures. Les oxydes comprennent principalement Y2O3, Sm2O3, La2O3, Dy2O3 et CaO ; tandis que les fluorures incluent CaF2, YF3, etc. Parmi eux, Y2O3 a une forte capacité d'élimination de l'oxygène, une bonne stabilité et des performances globales supérieures, devenant ainsi l'auxiliaire de frittage le plus couramment utilisé ; tandis que CaO, en raison de sa température de formation de phase liquide plus basse, joue un rôle plus évident dans le frittage à basse température.
Du côté de l'application, la céramique de nitrure d'aluminium a une résistance relativement élevée à température ambiante et n'est pas facilement affectée par les changements de température. Il présente également une conductivité thermique relativement élevée et un coefficient de dilatation thermique relativement faible. C'est un excellent matériau résistant à la chaleur et un excellent matériau d'échange thermique. En tant que matériau d'échange thermique, il devrait être utilisé dans les échangeurs de chaleur des turbines à gaz. De plus, la céramique de nitrure d'aluminium est un matériau résistant à la chaleur à haute température. Sa conductivité thermique est élevée, plus de 5 fois supérieure à celle de la céramique alumine, et son coefficient de dilatation est faible, conforme à celui du silicium. Le substrat fabriqué à partir de céramique de nitrure d'aluminium comme matière première principale produisant des substrats en cuivre à liaison directe (DBC) et des circuits céramiques à couche épaisse présente d'excellentes caractéristiques telles qu'une conductivité thermique élevée, un faible coefficient de dilatation, une résistance élevée, une résistance à la corrosion, d'excellentes performances électriques et une bonne transmission de la lumière. Il s'agit d'un substrat et d'un matériau d'emballage idéaux pour la dissipation thermique des circuits intégrés à grande échelle. Avec la mise à niveau continue de la technologie de l'industrie de l'information électronique, la miniaturisation et l'intégration fonctionnelle des substrats PCB sont devenues une tendance. Les exigences du marché en matière de performances de dissipation thermique et de résistance aux hautes températures des substrats de dissipation thermique et des matériaux d'emballage augmentent constamment. Les performances des matériaux de substrat relativement ordinaires sont difficiles à répondre aux demandes du marché. Le développement de substrats céramiques en nitrure d'aluminium, notamment des substrats de modules de puissance automobiles et des composants pour équipements de fabrication de semi-conducteurs, a ouvert une opportunité.
Céramiques de nitrure de silicium : l'un des meilleurs matériaux en termes de performances globales parmi les céramiques avancées
Avec le développement de la science et de la technologie contemporaines, les exigences en matière de matériaux de structure dans des domaines tels que l'aviation et l'énergie aérospatiale sont devenues de plus en plus élevées. Le développement et la recherche de matériaux structurels dotés d'excellentes propriétés telles que la résistance aux températures élevées, la résistance à la corrosion, la résistance au frottement, la résistance élevée, la dureté élevée et les performances mécaniques complètes sont devenus extrêmement importants. Les céramiques Si3N4, notamment le nitrure de silicium fritté (SSN) et le nitrure de silicium lié par réaction (RBSN), sont l'un des matériaux offrant les meilleures performances globales parmi les céramiques avancées. Ses propriétés électriques, thermiques et mécaniques sont très excellentes. Il peut être utilisé jusqu’à 1400℃ en atmosphère oxydante et jusqu’à 1850℃ en atmosphère neutre ou réductrice. Il met non seulement en évidence les avantages des matériaux céramiques généraux tels que la dureté, la résistance à la chaleur, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion, mais possède également des avantages tels qu'une bonne résistance aux chocs thermiques, une résistance au fluage à haute température, une bonne autolubrification, d'excellentes performances de stabilité chimique et une densité relativement faible, une faible constante diélectrique, une faible perte diélectrique et d'autres excellentes propriétés diélectriques.
Le poids moléculaire du nitrure de silicium est de 140,28. En termes de pourcentage pondéral, le silicium représente 60,28 % et l'azote 39,94 %. Les électronégativités de ces deux éléments sont similaires. Dans le cristal de nitrure de silicium, les liaisons Si-N sont principalement formées par des liaisons covalentes (les liaisons ioniques ne représentant que 30 %) et la force de liaison est élevée. Le nitrure de silicium n'a pas de point de fusion. Il se sublime et se décompose à 1870°C sous pression normale et possède une pression de vapeur élevée et un très faible coefficient de diffusion. Les atomes de Si et les atomes de N sont liés par des liaisons covalentes très fortes, ce qui confère au nitrure de silicium une résistance élevée, une dureté élevée, une résistance aux températures élevées et des propriétés d'isolation, ce qui le rend idéal pour des produits tels que les roulements à billes, les outils de coupe et les rotors de turbocompresseur. En raison de la forte liaison covalente entre les atomes de Si et les atomes de N, la diffusion atomique est très lente à haute température, de sorte que des additifs tels que l'yttria (Y₂O₃) et l'alumine (Al₂O₃) qui forment une phase liquide à haute température doivent être ajoutés pendant le processus de frittage pour favoriser la diffusion et accélérer la densification du frittage.
Les propriétés des céramiques de nitrure de silicium sont étroitement liées à la méthode de frittage. Les propriétés mécaniques à haute température du nitrure de silicium dépendent largement de la phase vitreuse intergranulaire. Pour améliorer les performances de frittage du nitrure de silicium, des auxiliaires de frittage sont ajoutés aux matières premières. À haute température, les adjuvants de frittage forment une phase vitreuse qui reste aux joints de grains après refroidissement. La rétention et l’exercice de cette propriété du nitrure de silicium à haute température ne peuvent être obtenus que grâce à un traitement technique des limites de grains. Sinon, le ramollissement de la phase vitreuse intergranulaire à haute température provoquera un glissement des joints de grains, ce qui aura un impact significatif sur la résistance à haute température, le fluage et la propagation lente des fissures en fatigue statique. La vitesse de glissement aux limites des grains est liée aux propriétés (telles que la viscosité) de la phase vitreuse, à sa quantité et à sa distribution.
Dans le domaine d'application, la céramique Si3N4, comprenant des qualités hautes performances telles que le nitrure de silicium pressé à chaud (HPSN) et le nitrure de silicium fritté sous pression gazeuse (GPSN), est un matériau structurel important. C’est une substance extrêmement dure, lubrifiante par nature et résistante à l’usure. Hormis l’acide fluorhydrique, il ne réagit pas avec d’autres acides inorganiques. Il présente une forte résistance à la corrosion et résiste à l’oxydation à haute température. De plus, il peut résister aux chocs thermiques et ne se brisera pas même lorsqu'il est chauffé à plus de 1 000 °C dans l'air, puis rapidement refroidi et chauffé à nouveau. En raison de ses excellentes propriétés, la céramique Si3N4 est souvent utilisée pour fabriquer des composants mécaniques tels que des roulements, en particulier des roulements entièrement en céramique et des roulements hybrides en céramique, des aubes de turbine, des bagues d'étanchéité mécaniques et des moules permanents. Parmi eux, en tirant parti de la légèreté et de la rigidité élevée du Si3N4, il peut être utilisé pour fabriquer des roulements à billes, qui ont une plus grande précision que les roulements métalliques, génèrent moins de chaleur et peuvent fonctionner à des températures plus élevées et dans des milieux corrosifs. Les buses à vapeur en Si3N4 telles que les buses d'injection et les revêtements résistants à l'usure ont des propriétés de résistance à l'usure et à la chaleur. Après avoir été utilisées dans une chaudière à 650°C pendant plusieurs mois, elles ne présentent aucun dommage évident, tandis que d'autres buses en acier allié résistant à la chaleur et à la corrosion ne peuvent être utilisées que pendant 1 à 2 mois dans les mêmes conditions.
Céramiques au nitrure de bore : une céramique douce parmi les matériaux céramiques , avec d'excellentes propriétés de traitement mécanique
Le nitrure de bore a été inventé il y a plus de 100 ans. Sa première application était le nitrure de bore hexagonal [en abrégé h-BN, ou a-BN, ou g-BN (c'est-à-dire nitrure de bore de type graphite)], qui était utilisé comme lubrifiant à haute température et comme agent de démoulage dans le moulage de métaux non ferreux. Le h-BN a non seulement une structure similaire à celle du graphite, mais possède également des propriétés similaires, et il est naturellement blanc, c'est pourquoi il est communément appelé graphite blanc. Les céramiques de nitrure de bore (BN) ont été découvertes en tant que composé dès 1842. Les pays étrangers ont mené des recherches approfondies sur les matériaux BN après la Seconde Guerre mondiale, et elles n'ont été développées qu'après la résolution de la méthode de pressage thermique du BN en 1955. En 1957, un chercheur a développé avec succès des grains abrasifs de nitrure de bore cubique CBN, et en 1969, une certaine entreprise l'a vendu sous la marque Borazon. En 1973, les États-Unis annoncent la production d’outils de coupe en CBN. En 1975, le Japon a introduit la technologie américaine et a également produit des outils de coupe en CBN. En 1979, Sokolowski a utilisé avec succès la technologie du plasma pulsé pour préparer des films de c-BN à basse température et basse pression. À la fin des années 1990, les gens ont pu utiliser diverses méthodes de dépôt physique en phase vapeur (PVD) et de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour préparer des films de c-BN. Il présente une excellente résistance thermique, stabilité thermique, conductivité thermique et rigidité diélectrique à haute température, ce qui en fait un matériau de dissipation thermique idéal sous forme de tampons d'interface thermique, de substrats électriquement isolants et de matériau isolant à haute température. Le nitrure de bore a une bonne stabilité chimique et peut résister à l'érosion de la plupart des métaux en fusion. Il possède également de bonnes propriétés d’autolubrification. La dureté des produits en nitrure de bore comme les composants BN pressés à chaud et les revêtements pyrolytiques BN est faible, ce qui permet un traitement mécanique avec une précision de 1/100 mm.
Au stade de la préparation, pour les composés à liaison covalente, la méthode courante consiste à ajouter des auxiliaires de frittage. Les adjuvants de frittage couramment utilisés pour le BN comprennent B2O3, Si3N4, ZrO2, SiO2, BaCO3, etc. Actuellement, il existe de nombreuses méthodes pour préparer de la poudre de nitrure de bore. Sur la base de leurs principes, ils peuvent être grossièrement divisés en deux catégories : l'une est la méthode de synthèse, qui comprend principalement la méthode de synthèse à haute température, la méthode de synthèse sol-gel, la méthode de modèle et la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ; l'autre est la méthode d'exfoliation, y compris la méthode d'exfoliation par ultrasons en phase liquide, la méthode d'exfoliation par gravure laser, la méthode de broyage mécanique à billes, etc. Avec l'approfondissement continu de la recherche sur le nitrure de bore, les propriétés de certains nitrures de bore nanostructurés ont progressivement été découvertes. D’une part, les nanopoudres ont une énergie de surface spécifique élevée et une activité de frittage élevée, ce qui peut favoriser efficacement la densification des céramiques h-BN ; d'autre part, l'utilisation de nanopoudres comme matières premières peut réduire la température de frittage, réduire la taille des grains du corps fritté en céramique, améliorer la ténacité de la céramique et améliorer les propriétés mécaniques de la céramique h-BN pour les applications dans les montages de fours à haute température et les gabarits de traitement des semi-conducteurs, jetant ainsi les bases de l'application industrielle à grande échelle de la céramique h-BN.
Dans le domaine d'application, le nitrure de bore peut être utilisé pour fabriquer des creusets pour la fusion de semi-conducteurs et des conteneurs à haute température pour la métallurgie, en particulier des creusets en nitrure de bore et des anneaux de rupture pour la coulée continue, des pièces de dissipation thermique et d'isolation des semi-conducteurs, des roulements à haute température, des manchons de thermocouple et des moules de formation de verre, etc. Le nitrure de bore couramment produit a une structure en graphite et est communément appelé graphite blanc. L’autre type est semblable au diamant, similaire au principe de transformation du graphite en diamant. Le nitrure de bore de type graphite peut être transformé en nitrure de bore de type diamant à haute température (1 800 ℃) et haute pression (800 Mpa). Dans ce type de nitrure de bore, la longueur de la liaison BN (156 pm) est similaire à celle du diamant (154 pm), et sa densité est également similaire à celle du diamant. Sa dureté est comparable à celle du diamant, tandis que sa résistance à la chaleur est meilleure que celle du diamant. Il s'agit d'un nouveau type de matériau ultra-dur résistant aux hautes températures, en particulier sous forme de plaquettes de coupe et de meules en nitrure de bore cubique (CBN), utilisé pour fabriquer des forets, des outils et des outils de coupe.
Sialon Ceramics : Céramiques douces parmi les matériaux céramiques , avec d'excellentes propriétés de traitement mécanique
Le Sialon est un composé formé par la combinaison d'éléments Si, Al, O et N. Il est translittéré par « Sialon ». Les céramiques Sialon appartiennent à la série de composés Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2. Il s'agit d'un type de céramique de nitrure polycristallin dense développée à base de céramiques Si3N4, formée en remplaçant partiellement les atomes de Si et N de Si3N4 par des atomes d'Al et d'O d'Al2O3. Les céramiques Sialon ont été découvertes par Oyama et des chercheurs japonais (en 1971) et Jack et Wilson du Royaume-Uni (en 1972). Au cours de leurs recherches sur divers additifs pour céramiques de nitrure de silicium, ils ont découvert des solutions solides dans les nitrures métalliques, notamment la solution solide de Si3N4 dans le système SiO2-Al2O3, qui a favorisé efficacement le frittage et a ainsi conduit à la découverte du sialon (céramique Sialon). Les principales catégories de céramiques sialon comprennent le β'-sialon, l'α'-sialon et le O'-sialon, les deux premiers étant les plus courants.
Dans le processus de préparation, lors de la préparation de céramiques sialon, des poudres Si3N4 ultrafines et à phase α élevée doivent être sélectionnées. Des mesures de traitement appropriées doivent être adoptées pour contrôler la composition et la structure des phases intergranulaires, afin d'obtenir des matériaux présentant d'excellentes performances. Étant donné que les céramiques sialon ont une large gamme de solutions solides, la composition des céramiques sialon peut être conçue en fonction des performances prédéterminées en ajustant le rapport des composants de la solution solide. En ajustant de manière appropriée la quantité d'additifs ajoutée, le rapport optimal d'α-sialon et de β-sialon peut être obtenu, et le matériau présentant la meilleure combinaison de résistance et de dureté peut être obtenu. Les céramiques Sialon sont généralement frittées sans pression ou sous pressage à chaud. Ils sont frittés dans une atmosphère inerte à 1 600-1 800 ℃ et des corps frittés de densité théorique proche peuvent être obtenus. Les principaux additifs sont MgO, Al2O3, AlN, SiO2, etc. Parallèlement, l'ajout de Y2O3 et d'Al2O3 permet d'obtenir des céramiques sialon à très haute résistance. De plus, l’ajout de Y2O3 peut réduire la température de frittage des céramiques sialon. Le processus de fabrication de la céramique Sialon sous pression normale consiste à mélanger de la poudre Si3N4 avec une quantité appropriée de poudre Al2O3 et de poudre AlN, puis à la fritter dans une atmosphère de N2 à 1 700 ℃. Les propriétés de la solution solide varient en fonction de sa composition et de sa température de traitement.
Du côté des applications
En tant que nouveau type de céramique structurelle à haute température offrant des performances exceptionnelles, la céramique Sialon offre de larges perspectives d'application dans l'industrie militaire, l'industrie aérospatiale, l'industrie des machines, l'industrie électronique et d'autres domaines.
Les céramiques Sialon présentent une dureté élevée et une excellente résistance à l'usure et ont été adoptées dans l'industrie des machines pour la fabrication de roulements, de joints, de manchons de soudage, de broches de positionnement et de composants résistants à l'usure. Ils peuvent également être utilisés comme répartiteurs de flux pour la coulée continue, tubes de protection des thermocouples, producteurs de cristaux, creusets, revêtements pour la partie inférieure des hauts fourneaux, mandrins d'étirage pour tubes en alliage cuivre-aluminium, ainsi que comme matériaux de matrice pour les processus de laminage, d'extrusion et de moulage sous pression.
De plus, les céramiques Sialon sont applicables à la fabrication d'outils de coupe : leur dureté rouge surpasse celle des carbures cémentés WC-Co et de l'alumine, permettant une coupe à grande vitesse même lorsque la température de la pointe de l'outil dépasse 1 000 ℃. Ils peuvent également être transformés en céramiques transparentes (par exemple, tubes de lampes au sodium haute pression, fenêtres pour thermomètres infrarouges haute température) et utilisés comme biocéramiques pour la fabrication d'articulations artificielles et d'autres implants.
