Les verres et céramiques - Maxicours

Les verres et céramiques

Objectifs
Étudier comment le verre est fabriqué. Voir différents types de verres et leurs propriétés. Définir ce qu’est une céramique industrielle. Expliquer comment elle est manufacturée. Donner quelques propriétés des céramiques et leurs applications.
1. Le verre
Description

Le verre ordinaire est composé majoritairement de . Il a une structure amorphe, c'est-à-dire qu’il n’y a pas d’arrangement régulier des atomes comme dans un cristal.


 
Ci-dessus la structure 2D du verre ordinaire : en fait, chaque atome de silicium est relié à un autre atome d’oxygène hors du plan, le silicium étant tétravalent.

Le verre ordinaire est dur, cassant, isolant électrique. Il est quasi-inerte chimiquement. L’acide fluorhydrique HF peut toutefois le dissoudre. Sa masse volumique est . Son module de Young (fiche sur les matériaux composites) est , un peu plus faible que celui de l’aluminium. Le verre est aussi transparent, grâce à sa structure amorphe ; son indice optique est d’environ 1,5.

Production du verre


Le verre est produit par chauffage à 1500 °C d’un mélange de sable, de carbonate de sodium et de calcaire. Sous l’effet de la chaleur, la silice cristalline constituant le sable passe en phase liquide. Dans celle-ci, l’état cristallin disparaît au profit de l’état amorphe. Lors du refroidissement, le verre est mis en forme vers 700°C, quand il est pâteux.

Ensuite, si le milieu est refroidi assez vite, l’état amorphe est conservé lors de la solidification du verre. On parle de transition vitreuse pour désigner ce passage liquide/solide sans changement de l’état de la matière, sans recristallisation. Un rôle de matériaux mélangés au sable (fondants) est de perturber la structure du pour conserver l’état amorphe et d’abaisser la température de transition vitreuse. Elle vaut pour le verre ordinaire.

Des additifs sont capables donner une couleur au verre. Il s’agit d’oxydes : oxydes de manganèse pour le violet, de nickel pour du gris, de chrome/fer pour du vert, de cobalt pour du bleu. D’autres matériaux ajoutés peuvent s’incorporer à la structure du verre, en lui donnant certaines propriétés, comme vu au 2.

Remarques :
→ Ce processus de fabrication du verre est une vitrification. Ce terme englobe aussi le fait qu’un matériau soit liquéfié à hautes températures puis refroidi rapidement pour conserver une structure amorphe. Par extension, le matériau ainsi vitrifié est qualifié de verre. La vitrification de roches est par exemple observée lors d’explosions nucléaires. La vitrification de déchets radioactifs désigne l’opération où ils sont piégés dans une structure vitreuse, afin d’éviter leur dissémination accidentelle dans la Nature.

→ Le verre peut être refondu, sans perte de ses propriétés. Dans le cadre de son recyclage, la consommation d’énergie est moindre que pour sa fabrication, car on ne monte plus alors à 1500 °C mais à 1000 °C.
2. Les différents types de verre et applications
Le « verre standard » est de type sodo-calcique. Il contient plus de 70 % en masse de , un peu plus de 10 % de , environ 10 % de , etc. C’est le verre constituant les bouteilles, les vitres, des écrans, etc.

Le verre pyrex comporte environ 80 % de , 12 % de , 4 % de , 2% de et des traces d’autres matériaux. C’est un verre résistant à la chaleur, d’où son emploi pour la verrerie de chimie destinée au chauffage (ballons …). Dans une certaine mesure, il résiste bien aux variations brutales de températures (choc thermique).

Un verre en « cristal » a pour composition massique : environ la moitié de , en moyenne un tiers d’oxyde de plomb , environ 10 % de … Malgré son nom, ce verre reste amorphe. Son éclat est plus prononcé que celui du verre ordinaire.

→ Pour les fibres de verre, la composition du verre est par exemple 55 % de , 17 % de , 14 % de , 8 % de , 5 % de , etc. Ces valeurs varient sensiblement selon l’usage. Un verre massif ordinaire comporte des micro-défauts invisibles dans sa structure, ce qui le rend cassant. Par contre, sous forme de fibres, il forme un matériau résistant, à l’instar des fibres de carbone. D’ailleurs, ces deux types de fibres interviennent en tant que renfort dans des matériaux composites (voir fiche dédiée).

→ En optique, le verre est très employé, par exemple avec les fibres optiques. On utilise aussi le pouvoir dispersif de certains verres, avec les prismes. On rappelle qu’un milieu est dispersif si la célérité d’une onde lumineuse dépend de sa longueur d’onde. Exemple : crown, flint, … Leur composition est relativement complexe ; en plus des éléments vus plus haut, on a du phosphore, germanium, fluor, etc.

Pour les lunettes de vue, on parle de verre minéral (le verre en ) et de verre organique, composé de matières plastiques. Cela concerne des polymères de synthèse comme le poly(diéthylène glycol bisallylcarbonate) (« CR39 »), le polycarbonate …

Polycarbonate

Certains verres sont photochromiques, c'est-à-dire qu’ils s’assombrissent de manière réversible quand ils sont exposés à la lumière (UV) :
• Pour les verres minéraux : rajout d’halogénures d’argent (ex : chlorure d’argent).
• Pour les verres organiques : couche de molécules photochromes, comme l’oxazine.

Le verre feuilleté résulte de la superposition de plusieurs couches de verre liées entre elles par un film en polymère (ex : polyvinyle de butyral). Le verre feuilleté n’éclate pas en cas de choc, mais il apparaît une structure en étoile très caractéristique. Il se forme une multitude de petits éclats dont une partie reste fixée à la vitre. Application : pare-brise automobile. Les verres blindés sont conçus selon ce principe: utilisation de verre et de polycarbonate pour des vitres de fortes épaisseurs, capables de stopper des balles d’armes à feu.

→ Les vitrocéramiques désignent un verre résultant d’une cristallisation contrôlée du matériau. Les microcristaux formés sont noyés dans une phase vitreuse. Le matériau est non transparent. Il présente une forte résistance mécanique, tolère de fortes températures et chocs thermiques. Les vitrocéramiques sont composées principalement de , , , et . Elles sont employées par exemple pour des plaques de cuisson ou des miroirs de télescope (le matériau se dilate peu sous l’effet de la température).
3. Les céramiques
Définition

La définition d’une céramique est très vaste, car elle concerne les matériaux solides non métalliques et inorganiques. Le chlorure de sodium et le diamant sont ainsi des céramiques, tout comme la terre cuite ou la porcelaine (sens premier de céramique) … Par la suite, il sera sous-entendu que nous parlerons des céramiques industrielles, nommées aussi céramiques techniques. Elles possèdent souvent une structure cristalline, mais ce n’est pas obligatoire : le verre ainsi est une catégorie de céramique. On distingue deux ensembles :
• les oxydes : , , , …
• les non oxydes : carbures (carbone + autre élément chimique), borure (carbone + autre élément), nitrure (azote + autre élément) comme ou .
Pour ou , les liaisons entre atomes sont de natures covalentes, de nature ioniques pour ou et métalliques pour .

Propriétés

Une céramique technique présente des propriétés physiques particulièrement intéressantes :
Grande rigidité mécanique : le module de Young d’une céramique peut être plus fort que celui d’un métal.
• « Fragilité » : au contraire d’un métal, une céramique ne possède pas de zone plastique en traction (voir fiche sur les matériaux composites) : elle cassera plus tôt.
Ténacité globalement plus faible que celle d’un métal. La ténacité est la faculté d’un matériau à résister à la propagation d’une fissure.
• Les céramiques sont plus résistantes en compression qu’en traction.
• Insensible à la corrosion, bonne résistance à l’usure.
• Inerte chimiquement.
Température de fusion souvent élevée (), supérieure à celles des métaux.
• Les céramiques sont fréquemment isolantes thermiques et électriques. Toutefois, certaines sont supraconductrices à très basses températures.

Exemple de céramique : Alumine , résultant de l’oxydation de l’aluminium. Contrairement à l’oxyde de fer (rouille), l’alumine est un matériau imperméable et dense. Sa température de fusion est de 2047 °C, pour une masse volumique de . Son module de Young est (l’acier est à ).

Fabrication d’une céramique
De fait des températures de fusion élevées des céramiques, elles sont très difficiles à mettre en forme par chauffage : on ne peut pas les fondre comme les métaux.

Une technique pour fabriquer une pièce manufacturée en céramique est le frittage. Elle consiste à réduire en poudre le matériau utilisé. Ensuite, la poudre est déposée dans un moule et est comprimée. Le matériau est porté à une température suffisante pour que les grains se soudent entre eux, mais on reste en dessous de la température de fusion de la céramique.

Durant le frittage, l’espace entre les grains tend à se réduire. Sous l’effet des contraintes appliquées, les grains changent de forme. Une fois l’opération terminée, il demeure des pores au sein de la céramique : des pores ouverts (communiquant avec l’extérieur), et les pores fermés. Les pores influent sur les propriétés mécaniques du matériau : module de Young, fragilité à la traction et/ou à la propagation de fissures, propriétés de surface, etc.


Le volume des pores ouverts s’obtient en comparant le volume géométrique de la pièce (sphère, cube, etc.) avec le volume mesuré en immergeant la céramique dans un liquide. Le volume des pores fermés est estimé en utilisant la masse volumique du matériau massif, afin de trouver le volume correspondant . On compare alors à .
4. Quelques applications
→ L’alumine est un matériau biocompatible, ce qui permet de l’employer par exemple pour des prothèses dentaires ou de hanche, voir fiche dédiée.

Pièces industrielles soumises à des contraintes thermiques et mécaniques importantes : soupapes, outils pour usinage du métal, …

→ Outils tranchants domestiques : couteaux ou ciseaux.

Matériaux réfractaires (résistants à la chaleur) : fours industriels, tuiles constituant le bouclier thermique des navettes spatiales.

→ Les propriétés isolantes des céramiques peuvent être mises à profit en électricité (hautes tensions) et en électronique.

Céramiques piézoélectriques (fiche visualiser expérimentalement des atomes et des molécules). L’effet piézoélectrique est une déformation du matériau quand on lui applique une tension électrique, et inversement. Exemples : la céramique « PZT » (Titano-Zirconate de Plomb) ou le titianate de baryum . Les céramiques piézoélectriques sont utilisées en tant qu’émetteurs-récepteurs acoustiques, notamment ultrasonores. Des projets envisagent de « capter l’énergie » des pas des marcheurs via des sols liés à des matériaux piézoélectriques.



L'essentiel
Le verre est un matériau amorphe composé principalement de dioxyde de silicium . Il est fabriqué par vitrification de sable (silice). Le verre est recyclable, ce qui permet des économies d’énergies. Suivant sa composition, il existe plusieurs types de verres, possédant diverses propriétés : optiques, résistance à chaleur ou aux chocs, etc.

Les céramiques industrielles sont des matériaux non métalliques et inorganiques. Ils sont mis en forme par frittage. Ces matériaux possèdent des propriétés intéressantes pour des applications exigeantes : température de fusion élevée, grande résistance mécanique, insensibles à la corrosion…
Pour aller plus loin
Les diatomées sont des algues unicellulaires, constituant du plancton marin. Elles ont la propriété de se fabriquer une fine carapace de verre par voie chimique, à température ambiante. On parle alors de chimie douce par opposition à la vitrification.

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