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Article

1 - MATIÈRES PREMIÈRES MINÉRALES DES CÉRAMIQUES SILICATÉES

2 - CLASSIFICATION DES COMPOSITIONS DE CÉRAMIQUES SILICATÉES

3 - CÉRAMIQUES SILICATÉES À PÂTE POREUSE

4 - CÉRAMIQUES SILICATÉES À PÂTE VITRIFIÉE, VITRÉOUS ET PORCELAINE

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : N4800 v1

Conclusion
Les céramiques silicatées

Auteur(s) : Philippe BLANCHART

Date de publication : 10 févr. 2014

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RÉSUMÉ

L'article décrit les céramiques industrielles pour la vaisselle, les carreaux de sol et de murs, les produits sanitaires et les matériaux de terre cuite pour le bâtiment. Les spécificités des transformations physico-chimiques des mélanges de matières minérales, conduisant à la formation des céramiques après la cuisson à haute température, sont expliquées en détail. Les céramiques industrielles sont ensuite présentées en deux parties : les céramiques à pâtes poreuses dont les terres cuites, les faïences et les grès communs, et les céramiques à pâte vitrifiée, vitréous et porcelaines. Pour chacune d'elles, les propriétés d'usage, dont la résistance mécanique et l'aspect, sont fortement dépendantes de la composition initiale et des procédés de fabrication.

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ABSTRACT

Industrial Ceramics

The paper describes the industrial ceramics for dinnerware, wall and floor tiles, sanitary products and clay materials for building. It explains the very specific physico-chemical transformations of mineral material mixtures leading to ceramic materials after firing at high temperature. Industrial ceramics are presented in two classes: porous ceramics are clay materials for building, earthenware and common stonewares vitrified ceramics are vitrified stonewares and porcelains. For all industrial ceramics, the properties in use, as the mechanical resistance and the surface aspect, are strongly related to both the initial composition and the different stages of the industrial process.

Auteur(s)

  • Philippe BLANCHART : Professeur École nationale supérieure de céramiques industrielles, ENSCI, Limoges, France

INTRODUCTION

LLes céramiques industrielles sont des matériaux inorganiques obtenus à partir de mélanges de poudres fines de matières premières minérales broyées, compactées et soumises à une cuisson à haute température, généralement entre 800 et 1 500 oC. La majorité des céramiques fabriquées dans le monde sont des céramiques silicatées (l'appellation « silicate ceramics » est généralement acceptée). Elles sont usuellement appelées « céramiques traditionnelles » en raison de la très longue histoire de ces techniques, mais l'évolution récente et importante des aspects scientifiques et technologiques apportés par de nombreux laboratoires de recherche du monde entier et appliqués aux procédés industriels fait que ces céramiques sont maintenant des matériaux modernes et de haute technologie.

Les céramiques industrielles sont majoritairement des matériaux durs et résistants, et aussi relativement réfractaires. Leurs propriétés mécaniques sont spécifiquement celles de matériaux ayant un comportement fragile, bien que leur résistance mécanique soit souvent élevée. Leur conductivité thermique est faible et ce sont de bons isolants électriques. Leur surface est souvent rugueuse et parfois poreuse, ce qui nécessite l'utilisation d'un matériau de finition de surface de type émail vitrifié, qui est aussi un bon support pour la décoration.

Les domaines d'application sont les usages de la vie courante, c'est-à-dire le bâtiment (briques, tuiles...), les revêtements et la décoration (carreaux de sol et de murs), la vaisselle (assiettes, bols, tasses...) et le sanitaire (éviers, receveurs...). Ce sont des matériaux de grande diffusion fabriqués en très grande quantité dans le monde, en raison de besoins importants et constants, ce qui explique la permanence d'un large secteur industriel comprenant des entreprises de production de matières premières minérales, de produits céramiques et d'équipements industriels et de laboratoire. Ce secteur industriel a subi ces dernières décennies d'importantes mutations scientifiques et technologiques de façon à accentuer sa compétitivité et sa modernité.

Les céramiques industrielles sont soit poreuses, soit vitrifiées. Les céramiques poreuses sont la terre cuite, la faïence et certains grès communs, alors que les céramiques vitrifiées sont les grès vitrifiés, que l'on appelle aussi « vitréous », et les porcelaines. Les matériaux poreux ont une microstructure très hétérogène à l'échelle des grains et des pores (quelques μm à quelques 10 μm), rendant ces matériaux opaques, perméables à l'eau et peu résistants mécaniquement. Les matériaux vitrifiés ont une microstructure homogène et imperméable, avec des phases cristallisées distribuées dans une phase vitrifiée servant de matrice. Dans le cas des porcelaines, la nature et la quantité des phases cristallisées et vitrifiées font que les matériaux sont plus résistants mécaniquement et translucides.

Les compositions dont sont issues ces céramiques sont un mélange de trois groupes principaux de matières premières minérales :

  • les matières premières plastiques, argiles et kaolins ;

  • les charges, dont notamment le quartz ;

  • les fondants de type feldspath ou carbonates alcalino-terreux en association avec d'autres minéraux.

Le type et la qualité ainsi que les quantités relatives de chacun de ces groupes dans les compositions dépendent du type de céramique à fabriquer, mais les domaines de composition sont toujours contigus.

La complexité des aspects scientifiques et technologiques associés à la réalisation de céramiques silicatées de bonne qualité nécessite des connaissances approfondies à la fois sur les propriétés des matières minérales et sur les procédés industriels. Cela nécessite une grande pluridisciplinarité du savoir-faire des ingénieurs des industries céramiques.

L'objectif de l'article est de décrire les céramiques industrielles pour la vaisselle, les carreaux de sol et de mur, les produits sanitaires et les matériaux de terre cuite pour le bâtiment. Ces céramiques sont toutes composées de mélanges de matières premières minérales qui réagissent pendant la cuisson au-dessus de 1 000 oC et se transforment en matériaux céramiques. Les spécificités des transformations thermiques sont décrites dans cet article, pour les céramiques à pâtes poreuses que sont les terres cuites, les faïences et les grès communs, et pour les céramiques à pâte vitrifiée que sont les vitréous et les porcelaines.

Les céramiques industrielles sont produites en très grandes quantités, nécessitant des ressources minérales abondantes et de qualité contrôlée, ainsi que des procédés industriels importants. Les données statistiques européennes indiquent que la production de ce secteur économique est globalement en progression tant en quantité qu'en qualité.

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KEYWORDS

application   |   Physical-chemistry of mineral materials   |   materials   |   ceramics

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n4800


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5. Conclusion

Les céramiques sont aujourd'hui des matériaux innovants dans de nombreux secteurs de haute technologie. Elles sont à l'origine d'une multitude d'applications pour l'habitat, les transports, l'énergie, les télécommunications, l'environnement et la santé, qui font partie de notre quotidien depuis longtemps. Leurs propriétés physiques, thermiques, mécaniques... spécifiques apportent des solutions et ouvrent de nouvelles perspectives dans de nombreux domaines :

  • l'habitat, avec quatre grandes familles de produits : les produits sanitaires, les carreaux de sol et de murs, la vaisselle, et les matériaux de construction ;

  • l'industrie, où elles sont recherchées pour la génération et la conservation de l'énergie (synthèse catalytique d'hydrogène, piles à combustible, éléments de turbines, combustibles et absorbants de centrales nucléaires), automobile (revêtements anti-usure), réfractaires pour les unités de production en verrerie et sidérurgie... ;

  • la protection de l'environnement : conditionnement de déchets, détection de gaz, filtres antipollution... ;

  • l'électronique, l'optique et la photonique (isolants, conden- sateurs, piézoélectriques, fibres optiques, amplification laser... ;

  • l'aéronautique et le spatial, où leur résistance aux conditions extrêmes est irremplaçable ;

  • la chirurgie avec les biocéramiques employées pour les prothèses et les reconstructions osseuses...

Les problématiques scientifiques et technologiques induites par le développement de nouvelles céramiques pour de nouvelles applications sont majoritairement transversales. Cela veut dire que la plupart des nouvelles technologies et des nouveaux développements scientifiques liés à de nombreux types de matériaux ont de nombreux points communs. Dans ce contexte, les céramiques silicatées, ou traditionnelles ont bénéficiées pendant ces dernières décennies d'un environnement de développement favorisé par l'essor des sciences et techniques apportées par les matériaux nouveaux. Cela en fait des matériaux qui ne sont traditionnels que par leur longue histoire, mais sont en réalité des matériaux nouveaux de haute technologie. Les avancées dans ce domaine sont largement publiées dans de nombreuses revues internationales dont certaines à fort impact. On y trouve une multitude de perspectives de développement possibles, qui s'inscrivent au carrefour...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - JOUENNE (C.-A.) -   Traité de céramiques et matériaux minéraux.  -  Éditeur Septima (1973).

  • (2) - BOCH (P.) -   Propriétés et applications des céramiques.  -  Hermes Science Publications, Collection : Mécanique Ingénierie matériau (2000).

  • (3) - MUNIER (P.) -   Technologie des faïences.  -  Gautier-Villars (1964).

  • (4) - KINGERY (H.), DAVID (W.), BOWEN, UHLMANN (H.K.), DONALD (R.) -   Introduction to Ceramics,  -  Wiley (1976).

  • (5) - RICHERSON (D.W.) -   Modern ceramic engineering : properties, processing and use in design.  -  Éditeur M. Dekker (1992).

  • (6) - ONODA (G.Y.) -   Ceramic processing before firing.  -  A Wiley-Interscience publication (1978).

  • ...

1 Outils logiciels

Phase Equilibria Diagrams – The American Ceramic Society http://ceramics.org/publications-and-resources/phase-equilibria-diagrams

Propriétés des verres et émaux, Statistical Calculation and Development of Glass Properties http://glassproperties.com

HAUT DE PAGE

2 Sites Internet

Confédération des industries céramiques de France

Société de l'industrie minérale http://www.ceramique.org;...

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