Matériaux Céramiques : Structure et Applications

Principe :

La nature des céramiques est définie par leur composition et, surtout, par la nature très énergétique de leurs liaisons interatomiques.

Définitions :

• Composition et Liaisons : Les céramiques sont des matériaux inorganiques, non-métalliques, typiquement des oxydes, nitrures, carbures ou silicates. Les atomes y sont liés par des liaisons chimiques fortes, qui sont soit majoritairement ioniques (transfert d'électrons entre un métal et un non-métal, ex: \(\text{ZrO}_2\)) soit majoritairement covalentes (partage d'électrons entre non-métaux, ex: \(\text{SiC}\)).
• Impact sur les propriétés :
  • Grande dureté : La grande énergie de ces liaisons ioniques/covalentes rend très difficile le déplacement des atomes les uns par rapport aux autres. La dureté (résistance à la rayure, à l'indentation) est donc très élevée.
  • Point de fusion élevé : Il faut fournir une très grande quantité d'énergie thermique pour vaincre l'attraction due à ces liaisons fortes et faire passer le matériau de l'état solide ordonné à l'état liquide désordonné. Leurs points de fusion sont donc parmi les plus élevés de tous les matériaux.

Principe :

La masse molaire d'un composé est la somme des masses molaires de tous les atomes de sa formule chimique.

Formule et calcul :

Principe :

La masse volumique théorique (\(\rho\)) est le rapport entre la masse des atomes contenus dans une maille élémentaire et le volume de cette même maille.

Formule et calcul :

Données (avec conversion en cm) :

• \(Z = 4\) unités \(\text{ZrO}_2\)/maille
• \(M = 123.22\) g/mol
• \(a = 0.512 \text{ nm} = 0.512 \times 10^{-7} \text{ cm}\)
• \(N_A = 6.022 \times 10^{23} \text{ mol}^{-1}\)

1. Calcul du volume de la maille \(V_m\) :

2. Calcul de la masse volumique \(\rho\) :

La valeur calculée (6.10 g/cm³) est très proche de la valeur expérimentale donnée (6.05 g/cm³), la légère différence pouvant s'expliquer par la présence de défauts dans le cristal réel ou l'effet de l'yttrium stabilisant.

Principe :

Le choix d'un matériau pour une application dépend d'un compromis entre plusieurs propriétés. La ténacité est cruciale pour la sécurité structurelle, tandis que la dureté est essentielle pour résister à l'usure.

Analyse et choix :

• Prothèse de hanche : Cette application nécessite une excellente biocompatibilité et surtout une haute ténacité pour éviter une rupture catastrophique sous les contraintes de la marche. Une dureté élevée est aussi un plus pour résister à l'usure.
  Choix : Zircone (Y-TZP).
  Justification : Sa ténacité (\(6-10 \text{ MPa.m}^{1/2}\)) est significativement plus élevée que celle du SiC, ce qui la rend beaucoup plus fiable contre la propagation de fissures.
• Plaquette de coupe : Cette application requiert une dureté extrême pour pouvoir usiner d'autres matériaux durs, ainsi qu'une excellente résistance à la chaleur et à l'usure.
  Choix : Carbure de Silicium (SiC).
  Justification : Sa dureté (2500 HV) est plus du double de celle de la zircone, et sa température maximale d'utilisation est bien plus élevée. Il conservera son tranchant et sa rigidité à des vitesses de coupe élevées.

Principe :

La zircone Y-TZP possède un mécanisme de durcissement unique qui n'existe pas dans la plupart des autres céramiques, ce qui explique sa ténacité exceptionnellement élevée pour une céramique.

Explication du mécanisme :

La zircone stabilisée à l'yttrium (Y-TZP) est conçue pour exister à température ambiante dans une phase cristalline **tétragonale métastable**.

• Lorsqu'une fissure se propage dans le matériau, le champ de contrainte très intense à la pointe de la fissure déclenche localement une **transformation de phase**. Les grains de la phase tétragonale se transforment en une phase **monoclinique**, qui est la forme stable à basse température.
• Cette transformation s'accompagne d'une augmentation de volume d'environ 3 à 5%.
• L'expansion des grains qui se transforment autour de la pointe de la fissure crée une zone de **forte compression**.
• Cette compression locale s'oppose à l'ouverture de la fissure et "pince" sa pointe, ce qui nécessite une énergie beaucoup plus importante pour continuer à la propager. Le matériau devient donc beaucoup plus tenace.

Principe :

La fragilité des céramiques est la conséquence directe de la nature de leurs liaisons et de l'impossibilité pour les dislocations de se déplacer facilement.

Explication :

Contrairement aux métaux où la déformation plastique se produit par le glissement aisé des dislocations, dans les céramiques :

• Les liaisons sont fortes et directionnelles : Les liaisons covalentes sont très directionnelles et les liaisons ioniques impliquent un équilibre délicat entre attractions et répulsions. Le déplacement d'une dislocation nécessiterait de rompre ces liaisons fortes ou de rapprocher des ions de même signe, ce qui demande une énergie énorme.
• Absence de systèmes de glissement faciles : Il n'existe pas de plans denses dans lesquels les dislocations peuvent glisser facilement. Le mouvement des dislocations est donc intrinsèquement très difficile.
• Concentration de contrainte : Tous les matériaux réels contiennent de petites imperfections (pores, microfissures). Lorsqu'une contrainte est appliquée à une céramique, elle ne peut pas être dissipée par déformation plastique (mouvement des dislocations). L'énergie se concentre donc à la pointe de la fissure la plus critique.
• Propagation de fissure : Lorsque la contrainte à la pointe de la fissure atteint un seuil critique, elle a suffisamment d'énergie pour rompre les liaisons atomiques les unes après les autres. La fissure se propage alors très rapidement à travers tout le matériau, menant à une rupture brutale et sans déformation visible : c'est la rupture fragile.