MATERIAUX POUR LA MICROTECHNIQUE LES CERAMIQUES

MATERIAUX POUR LA MICROTECHNIQUE
LES CERAMIQUES
LES INORGANIQUES NON-METALLIQUES
Script 2012
P. MURALT
MATERIAUX POUR LA MICROTECHNIQUE - CERAMIQUES - Introduction
I.2
CONTENU
I.
Introduction
II.
Propriétés mécaniques et thermiques
III.
La mise en œuvre des céramiques
IV.
La conduction ionique
V.
La conduction électronique dans les céramiques
VI.
Les céramiques diélectriques
VII.
Les diélectriques polaires et piézoélectriques
Ce cours est donné pour les étudiants en microtechnique du 2ième année. Il est bien clair que l'ingénieur en
microtechnique est un utilisateur des matériaux, et son premier intérêt dans ce domaine est de connaître
leurs propriétés typiques afin qu'il puisse les appliquer correctement, ou bien trouver des matériaux pour
remplir les exigences techniques de son projet. Il est aussi utile pour lui de connaître les types de procédés
de fabrication ainsi que les problématiques de la mise en forme. Enfin il est intéressé aux propriétés
fonctionnelles qu'il aimerait exploiter.
MATERIAUX POUR LA MICROTECHNIQUE - CERAMIQUES - Introduction
I.3
I. Introduction
Pour comprendre les matériaux, il faut commencer par les atomes et les interactions fondamentales entre
noyaux et électrons. En plus, il faut se familiariser avec certaines notations, et unités.
1.1 Atomes, forces électrostatiques, énergies en comparaisons
La matière est composée d’atomes. Les atomes possèdent un noyau - composé de protons et neutrons –
qui est contourné par des couches d’électrons. Les neutrons ne portent pas de charges électriques, les
protons, et donc aussi les noyaux portent des charges électriques positives, et les électrons portent une
charge électrique négative. La charge électrique est toujours un multiple d’une charge élémentaire de
-19
e=1.602x10 C (L’unité de charge est le Coulomb, abrégé C. Elle est liée à l’unité de courant électrique
Ampère (abr. A) par C=A*s, c’est donc la charge par second qui court dans un fil électrique quand le courant
se monte à un Ampère). L’électron possède une charge élémentaire négative, donc –e, le proton possède
une charge élémentaire positive, donc +e. La totalité des phénomènes de charges électriques est traité par
la théorie de l’électromagnétisme. Le magnétisme est une conséquence des charges qui bougent, et en
plus du spin des électrons (voir plus tard). Si les charges ne bougent pas, on parle de l’électrostatique. La
force électrostatique est celle qui règne entre deux corps chargés électriquement. Si on désigne les 2
charges avec q1 et q2, et la distance entre les 2 corps (très petits par rapport à leur distance) avec r12, elle se
monte à :
F=
1 q1q2
4!" 0 r122
(1.1)
!
r12 = r2 ! r1 , donc repoussant quand les 2 charges sont du même
"12 C
signe, et attirant quand les charges sont de signes différents. La constante ! 0 = 8.85!10
s’appelle la
Vm
La direction de la force et celle du vecteur
« permittivité diélectrique du vide ». Cette force et aussi appelée la force de Coulomb. Elle règne en
première approximation dans les des atomes (fig. 1.1), et entre les atomes, et donc dans toute la matière
quand les énergie impliqué sont faibles (quand les noyaux sont stables).
Figure 1.1
Un atome d’hydrogène (H) possède un proton comme noyau, et un électron.
Les deux s’attirent par la force électrostatique (dite de Coulomb). Comme
-30
l’électron est beaucoup plus léger (me=0.911x10 kg) que le proton
-27
(mp=1.673x10 kg), on peut considérer le noyau comme centre du
mouvement des électrons, similaire à notre système planétaire où le soleil
est mille fois plus lourd que le planète le plus lourd.
Figure 1.2:
n=1
n=
2
n=3
Un atome de sodium (Na) en représentation dans le
modèle planétaire de Nils Bohr. Dans ce modèle qui n’explique pas la nature quantique de la nature –
les électrons bougent sur des orbites autour du
noyau. Ce qui est vrai, c’est que les électrons sont
arrangés dans des « couches », chaque couche (qui
est plutôt un nuage) correspondant à un nombre
quantique principal n, ou n est un nombre naturel
plus grand que zéro.
Il y a peu près 100 ans, les chercheurs ont réalisé que les énergies des électrons sont discrètes, et que l’on
peut les ranger en couches. A la suite un modèle avec des orbites « planétaires» a été proposé (fig. 1.2).
Mais la vraie nature des atomes est comprise qu’avec la mécanique quantique.
I.4
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Figure 1.3
L’énergie de liaison dans un atome ou ion avec un
+
++
électron (H, He , Li , etc.). L’énergie zéro signifie la
limite entre un électron lié (énergie négative) et un
électron libre à se propager dans le « vide » avec
une énergie cinétique positive.
L’atome d’hydrogène, avec seulement un électron qui circule autour du noyau, est facile à comprendre en
appliquant la théorie quantique. L’énergie de l’électron ne dépend que du nombre quantique principale
n=1,2,3,4,…(fig. 1.3). Il y a donc un nombre infini des états possibles, mais plus le n monte, plus l’électron
s’éloigne du noyau et son énergie de liaison diminue. Normalement, l’électron occupe l’état le plus bas qui et
libre. S’il y a seulement un électron, c’est l’état avec n=1. Les fonctions d’onde de l’électron varient avec n.
Plus le n monte, plus il y a des fonctions d’onde possibles qui possèdent la même énergie (hydrogène
seulement). En effet, l’électron possède aussi un moment cinétique, et ce moment cinétique  est aussi
quantisé :  =0,1,2,3 avec la conditions que  < n pour une couche (n) donnée. Dans la langue de
spectroscopie, on utilise la notation s, p, d, f pour  =0,1,2,3. Chaque état  possède  (+1) fonctions d’onde
(voir fig. 1.4 pour les premiers 3 fonction), ce qui donne 1 pour les orbites de type s, 3 pour les orbites de
type p et 6 pour ceux du type d. Une fonction d’onde ne peut être occupé par 2 électrons : un électron avec
son spin « up », et un électron avec son spin « down ». Le spin est une espèce de moment magnétique
élémentaire qui fait partie des propriétés d’un électron. Les spins des électrons sont essentiels pour le
magnétisme. Le moment cinétique produit aussi un moment magnétique par les fait que les électrons
« bougent ». En mettant un atome dans un champ magnétique, les fonctions d’ondes avec  >0 se divisent
en états avec des moment magnétique m différent. Ceux-ci sont aussi quantisés m=-  , ( -1), …..(  -1) ,  .
Pour  =1 on a donc m=-1, 0, 1, ce qui donne ces trois fonction d’onde mentionnées. Le système périodique
est basé sur le modèle d’hydrogène, avec la modification que les 4s sont remplis avant les 3d. Le moment
magnétique du spin est ½. Ceci donne 2 états : S= +½, et S=-½. Dans un état caractérisé par le triple (n,
,m) on peut mettre maximal 2 électrons avec leurs spins antiparallèles suivant le principe d’exclusion de
Pauli. Le remplissage des états est expliqué dans la fig. 1.3 (du bas vers le haut).
Figure 1.4
Les fonctions d’ondes type 1s, 2s, 2p
Pour d’écrire des situations électriques arbitraires on a introduit le champ électrique
!
!
!
E , qui se défini par la
force électrique exercée sur un particule avec charge q : F = qE . Le champ électrique porte l’unité V/m. On
peut introduire un potentiel ! électrique par intégration du champ électrique, ce qui donne la relation:
!
! # " " "&
!
E = !"! (gradient ! = % , , ( )
$ "x "y "z '
(1.2)
Le potentiel électrique (tension électrique) porte l’unité V (Volt). Une unité de charge (1 C) placée à un
potentiel de 1 V (par rapport à une électrode à terre) possède l’énergie potentielle de 1 CV=1J (Joule). Une
I.5
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situation simple d’un champ électrique se trouve dans un condensateur (capacité) électrique avec deux
électrodes parallèles (fig. 1.5).
Figure 1.5
Champ électrique entre deux électrodes plans et
parallèles et le potentiel électrique E correspondant.
Une charge positive suit le champ électrique. Elle est
en effet accélérée par la force qE.
Pour la description des phénomènes microscopiques on utilise souvent une autre unité d’énergie que Joule,
-19
le « electron-volt », eV. C’est l’énergie potentielle d’un électron à un potentiel de -1V, donc 1.602x10 J.
Par exemple, l’état de base de l’hydrogène possède (voir fig. 1.3) l’énergie de -13.6 eV. Pour ioniser
l’hydrogène, il faut donc « payer » cette énergie. L’énergie de ionisation de l’azote (N2) est à peu près égale
(14 eV). Cette énergie dépasse largement les énergies thermique « normale » sur notre terre, et aussi les
énergies des photons de la lumière visible sont plus petites. Par contre, les foudres avec des tensions
électriques de l’ordre 100'000 V font bien ioniser l’air.
Lumière (photons)
Considérons
E ph = h! ,
l’énergie
des
photons
! = fréquence[1 / s]
de
la
h = 6.26 !10
lumière
"34
visible.
Js = 4.135!10
"15
Un
photon
possède
l’énergie
eVs
La constante h est la constante de Planck. La lumière visible est entre 700 et 400 nm longueur d’onde ( ! ).
Avec ! = c / " , on arrive à des énergies de photons entre 1.8 et 3.1 eV. Les atomes ne sont donc pas
ionisés par la lumière visible. Par contre, on peut attendre une interaction avec les couches supérieures des
atomes sous forme d’excitation.
Energie thermique
On ne veut pas aller dans les détails de la thermodynamique, on rappelle seulement que l’énergie cinétique
d’un molécule dans un gaz idéale se monte à
3
kT, k = 1.38!10 "23 J / K = 8.62 !10 "5 eV / K
2
.
A 293 K, donc 20 °C, cette énergie se monte à 25 meV (mili-electron-volt). Ceci souligne la stabilité des
atomes à température ambiante.
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I.6
1.2. Matériaux céramiques
Le mot céramique vient du grec "keramos" qui signifie argile. C'est un type de matériau connu de très longue
date (depuis env. 7000 a.c., voir plus ancien (env. 30'000 a.c.) pour la simple terre cuite), utilisé jadis pour la
poterie, les matières premières se trouvant à l'état naturel dans la terre. Les premiers tours de potier étaient
en utilisation env. 3400 a.c. à Uruk par les Sumériens. Les mêmes ont utilisé la céramique aussi pour
support de donnés (écrire en argile et cuir). Beaucoup de ces tuiles ont survécu les millénaires, et nous ont
permis d’abord à déchiffrer la langue de Sumériens, et puis à lire le premier roman de l‘humanité. Ce petit
exemple nous dit que les céramiques sont en générale très résistantes, bien que mécaniquement souvent
fragile. Aujourd’hui, les produits de céramiques dépassent largement la poterie pour vaisselles, carrelages,
tuiles et installations sanitaires. Les céramiques modernes couvrent des domaines d'utilisation extrêmement
vastes et leur développement a progressé très rapidement ces dernières années. Comme matériaux
structuraux, leur avantage principal est leur excellente stabilité chimique et mécanique (en absence de
forces de tractions), également à haute température (comportement réfractaire). Leurs principaux
inconvénients résident dans leur fragilité et leur difficulté à être mis en forme. Certaines céramiques sont très
demandées à cause de leurs propriétés fonctionnelles: magnétiques, optiques ou électriques particulières.
Le terme "céramique" est utilisé d'une manière assez floue, et peut indiquer tous les oxydes, ou les
matériaux fabriqués par frittage. Pour arriver à une classification claire, les scientifiques ont introduit la
notion des matériaux qui ne sont ni des métaux, ni des organiques (qui contiennent des molécules à la base
de C-H): les matériaux inorganiques, non métalliques (INM). Ainsi le monocristal de quartz, le diamant, et le
silicium pur, pour citer des exemples, trouvent aussi une place dans cette grande classe de matériaux.
Fig. 1.6 : Les classes d’atomes dans le tableau périodique. Le YBa2Cu3O7 est donné comme exemple d’un
matériau INM assez complexe. Ce n’est pas une céramique classique, mais un supraconducteur à haute
température (Tc=93 K).
I.7
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Définition
On peut définir les céramiques comme des composés :
• inorganiques – non métalliques (INM)
• polycristallins
• élaborés à haute température
Figure 1.7.
Coupe à travers une céramique, vue par un
microscope électronique à balayage (MEB). On
voit une microstructure dite "polycristallines", qui
consiste de grains monocristallins, séparés par
des joints de grains.
Polycristallin veut dire que le matériaux est composé de petit monocristaux, typiquement de taille de 100 nm
à 10 µm. Dans un matériaux cristallin, les atomes sont arrangés d'une manière périodique.
Cette périodicité est souvent très importante pour les propriétés fonctionnelles (piézoélectrique, optique,
sémiconductrice, etc.) Dans ce cours, il faut forcément parler aussi des INM qui ne sont pas des céramiques
dans le sens strict.
Figure 1.8
Les cristaux possèdent une structure périodique. Une unité de maille,
! ! !
formé par 3 vecteurs indépendants (e1, e2 , e3 ) est répétée par translation
!
!
!
!
t = n1e1 + n2 e2 + n3e3 incluant tout les ni possibles pour remplir le
volume du mono cristal. Dans le cas le plus simple, l’unité est un cube
régulier. A l’intérieur de l’unité de maille il y a un arrangement d’atomes
(comme à gauche), arranger dans des symétries diverses. La structure
montreé s’appelle « perovskite ».
Est-ce qu'il y a des matériaux qui ne sont ni cristallins, ni polycristallins? Oui, il y a des matériaux amorphes.
L'exemple le mieux connu est le verre de silice. Dans les matériaux amorphes, il n'y a pas de périodicité.
Mais ils possèdent un aspect lice et homogène jusqu'à l'échelle nanométrique (pas de joint de grains!). Les
verres sont souvent ajoutés à la notion céramique, bien que incompatible avec la définition en haut. En plus
il y a des matériaux de types conglomérats qui sont un mélange de plusieurs sortes de INM: les ciments, le
béton. Ceux-ci sont parfois aussi inclus dans la notion "céramique".
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I.8
Figure 1.9: Film polycristallin (AlN) entre deux films amorphes (SiO2). Avec la microscopie
électronique, on voit des grains dans le premier. On observe aussi une diffraction par les plans
cristallins périodiques. Dans les films amorphes, on ne voit ni microstructure ni diffraction (Image de
Alvaro et al, IEEE Trans. UFFC, 2008).
Quant à la chimie, les céramiques sont composées de cations (soit d'un métal, soit d'un non-métal solide) et
d’anions, ce sont principalement des oxydes, carbures, nitrures et borures de métaux, ou d'autres INM's
comme le semiconducteur silicium. Leur microstructure est en général polycristalline (composées de grains
cristallins de différentes orientations cristallographiques). Leur haut point de fusion et leur faible capacité de
déformation demande une mise en forme à haute température.
Les matériaux céramique ou INM possède des liaisons chimiques ioniques et covalent. Les liaisons
ioniques se comprennent bien à partir de l’attraction électrostatique (équation 1.1) entre un ion négatif et un
ion positif. Dans la figure 1.8, les métaux sont les ion positifs (=cations), et l’oxygène est le ion négatif
(=anion). La tendance pour former des ion peut être estimer à partir de l’électronégativité des atome
impliqué dans une structure. Plus celle-ci est large, plus grande est la probabilité pour attirer des électrons ;
plus celle-ci est petite, plus grande est la probabilité pour donner des électrons. Les liaisons covalentes
sont un résultat de fonctions d’onde communes entre les atomes avoisinés, où se trouvent les électrons de
couches supérieures des atomes impliqués. Ces électrons sont surtout piégés entre les atomes, et attirent
ainsi les ions pour former des liaisons très fortes comme celle entre des atomes de carbon.
On peut distinguer trois principaux groupes de céramiques :
• Les céramiques traditionnelles (utilisées dans la vie de tous les jours, vaisselle, sanitaire...)
• Les céramiques structurales et réfractaires (dites aussi techniques). Les céramiques structurales
sont utilisées pour les applications qui requièrent leurs propriétés mécaniques et leur résistance
chimique, particulièrement à hautes températures.
• Les céramiques fonctionnelles sont utilisées pour leurs propriétés physiques, électriques et
magnétiques.
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I.9
Le cours abordera en première partie les structures et les propriétés thermo-mécaniques des céramiques, la
seconde partie étant consacrée aux propriétés électriques des céramiques fonctionnelles.
1.3. Céramiques traditionnelles:
Propriétés requises :
• Résistance, rigidité
• Isolation thermique et étanchéité
• Inertie chimique
• Décoration
• Abondance de la matière première – prix bas
• Aptitude à la mise en forme
Elles sont fabriquées à partir d'argile, de sable, de feldspaths. Les constituants de base sont donc bon
marché.
Argile : alumino silicates hydratés (Al2O3 + SiO2 + H2O). Exemple le kaolin : Al2O3.2SiO2.2H2O.
Elles contiennent en plus des oxydes divers : CaO, Fe2O3, MgO...
Sable siliceux : petites particules de quartz.
Feldspaths : K2O.Al2O3.6SiO2. Ils servent à faciliter la mise en forme. Ils ont un point de fusion plus bas
que les autres compositions et forment des phases vitreuses.
1.4 Céramiques techniques – céramiques structurales
Pour ces applications, les matières premières sont choisies avec soin. Leur élaboration est étudiée de
manière à contrôler précisément les microstructures.
Abrasifs, outils de coupe
Le rôle des abrasifs et outils de coupe est analogue : un matériau très dur sert à enlever des copeaux d’un
matériau moins dur. Dans le cas des abrasifs, ce sont des particules dures à arêtes vives qui agissent
(meulage, polissage..) Les outils de coupe, quant à eux, possèdent des arêtes tranchantes qui coupent le
matériau (tournage, fraisage, brochage..). Ils sont efficaces pour les vitesses de coupe rapide.
Propriétés requises pour les abrasifs et outils de coupe:
• dureté (supérieure à celle du matériau à usiner)
• rigidité élevée (pour que l’outil ne se déforme pas)
• bonne tenue à chaud (chaleur par frottement)
• résistance chimique
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I.10
Les abrasifs les plus courants sont : l’émeri (abrasif naturel contenant Al2O3, SiO2, Fe2O3), l’alumine
Al2O3, le carbure de silicium (carborundum) SiC, le nitrure de bore, et le diamant. Ils sont le plus souvent
englobés dans une matrice qui s’use et libère de nouvelles particules.
Outils de coupe :
• cobalt - WC (2-30% de WC). Outils de coupe les plus courants.
• nickel-molybdène - TiC. Meilleure résistance à l'usure, ténacité moindre. Pour usinage à grande
vitesse de matériaux durs.
Construction mécanique
Il faut noter que les céramiques même « high tech » restent fragiles. Cette fragilité est un obstacle majeur à
l’utilisation des céramiques en construction mécanique.
Toutefois, les céramiques sont utilisées pour leurs propriétés suivantes :
• résistance à haute température et en atmosphère oxydante (turbines de turbo-compresseurs
automobile…)
• résistance à l’usure et aux produits chimiques (roulements à billes…)
La fragilité des céramiques dépend de leur porosité et des phases secondaires présentes. La fabrication doit
donc être étudiée et la microstructure parfaitement contrôlée. On recherche une porosité quasi nulle, des
grains fins, une absence de défauts et de phases secondaires.
Céramique technique pour des applications exigeant des bonnes propriétés mécaniques:
Les compositions principalement utilisées sont Si3N4, SiC, ZrO2, Al2O3
Dans les années 80, certains moteurs diesels expérimentaux ont été réalisés en céramique. Toutefois la
fragilité reste un problème important et la recherche dans cette direction s’est essoufflée.
Certaines céramiques trouvent des applications dans le domaine de la bio-mécanique. On peut citer les
prothèses de hanche dont la tête est réalisée en ZrO2 ou Al2O3 et la queue en alliage de titane. Le faible
taux d’usure et la non réactivité chimique ( biocompatiblilité) représentent les atouts majeurs de la
céramique en plus de leur bonnes propriétés mécaniques. Une autre application de matériaux céramiques
dans ce domaine est l’os artificiel. Des ciments phospho-calciques sont développés pour leur similitude avec
les os.
Réfractaires :
Ces produits supportent des hautes températures sans altérations majeures. Ils sont nécessaires pour les
revêtements intérieurs de four et divers moules pour métaux liquides.
Propriétés requises :
•
résistance mécanique à chaud
•
résistance aux chocs thermiques
•
composition des matières premières contrôlée (impuretés)
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I.11
Ils sont très sensibles aux impuretés. La présence d’oxydes comme CaO, K2O entraîne la formation
d’eutectiques à plus bas points de fusion très néfastes aux propriétés réfractaires.
Les céramiques contenant de la silice sont bon marché, mais ne sont pas de très bons réfractaires
(formation de phases vitreuses).
Si l’on souhaite un isolant thermique, on favorise un produit contenant un certain taux de porosité (>45%).
Ceci au détriment de la tenue mécanique. On les utilise entre le réfractaire et la partie extérieure du four par
exemple.
Figures 1.10: Image de MEB (environ 100x100 µm) d'une céramique poreuse pour les filtres Diesel en
SiC (tiré de J. Adler, Ceramic Diesel particulate filters, J. Appl.Ceram.Technol. 2 (2005) 429)
Céramiques pour filtres de gaz de combustion, exigent une combinaison complexe de propriétés
Les soucis pour l'environnement et la santé des habitants de villes ont poussé les constructeurs
d'automobiles à ajouter des catalyseurs et filtres pour enlever des gaz toxiques (CO, CH, NOx) et des
particules (produits surtout dans les moteurs Diesel). Les cèramiques jouent un rôle majeur dans ces filtres à
cause des propriétés réfractaires:
•
résistance mécanique à chaud
•
résistance aux chocs thermiques (e.g. SiC)
•
microstructure poreuse et stable
ainsi que
•
Résistance chimique
ainsi que
•
Effet catalyseur en relation avec l'oxygène (donne et prend de l'oxygène): Exemple typique CeO2.
1.5. Céramiques fonctionnelles
Ces céramiques sont utilisées pour leurs propriétés électriques, optiques ou magnétiques.
La diversité des propriétés des céramiques permet de nombreuses applications.
Propriétés & Applications
•
Isolants (la plus grande application) – isolation haute tension, électronique. Principalement des
porcelaines (composés ternaires Al2O3 – SiO2 – MgO). Ces matériaux doivent être peu poreux. Ils sont
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I.12
souvent vitrifiés ou émaillés en surface pour éviter l’absorbtion d’eau. On utilise de tels isolateurs pour les
lignes de transmission à basse ou haute tension, dans les appareils électriques (interrupteurs et boîtiers).
Pour les bougies de moteurs à essence, on utilise de l’alumine.
•
Résistances, conducteurs (RuO2, TiN) – électronique, électrodes en milieu agressif, capteurs
chimiques, électrodes de piles à combustible… Certaines céramiques sont conductrices d’électricité.
•
Varistances (à base de ZnO) – protection de circuits électroniques. Pour la protection des circuits
électroniques on utilise des varistances. Ce sont des dispositifs qui laissent passer le courant au delà d’une
certaine tension.
•
Céramiques magnétiques (ferrites) – noyaux de transformateurs & inductances HF. Sous l’effet d’un
champ magnétique ils développent un champ magnétique induit, de manière analogue aux métaux
ferromagnétiques. La différence principale avec les ferromagnétiques est que les ferrites ne sont pas des
conducteurs électriques. Les ferrites ont des masses volumiques plus faibles, on en tient compte quand la
masse est un critère important (matériel portatif, matériel aéroporté…)
Condensateurs (BaTiO3) – électronique. Pour les condensateurs, on choisit des matériaux qui ont
•
une permittivité dielectrique (ε) élevée (toujours > 15) afin de pouvoir enmagasiner le plus d’énergie possible
dans un volume restreint, un facteur de perte (tg δ) très faible et une tension de claquage élevée.
•
Piézo-électriques (Pb(Zr,Ti)O3) – actionneurs, capteurs. Certaines céramiques présentent des
phénomènes de piézo-électricité. Soumises à une déformation, elles développent une tension électrique.
Inversement, soumises à une tension électriques elles se déforment. Le quartz (monocristal de SiO2) est le
plus connu des matériaux piézoélectriques (produit la fréquences de références dans des montres).
•
Pyro-électriques (PbTiO3) – détection du feu. Ces matériaux développent une tension qui dépend de
la température. Ils sont utilisés comme capteurs pour la détection du feu, la détection de personnes…
•
Supraconducteurs à haute température – Matériaux ne présentant plus de résistance au passage du
courant électrique au dessous d’une certaine température (important: les 77 K de l'azote liquide). Train à
lévitation magnétique…
•
Propriétés optiques (MgO, ZnS) – fenêtres infrarouge, matériaux électro-optiques (LiNbO3).
Propriétés utilisées : Indice de réfraction, transparence, couleur, effet électro-optique, électro-acoustique.
Propriétés magnétiques: Les ferrites
•
En résumé, les propriétés des céramiques typiques et recherchées sont :
• Température de fusion élevée
• Bons isolants thermiques (mais il y a aussi d’excellents conducteurs thermiques)
• Dures (mais aussi beaucoup de céramiques tendres)
• Isolants électriques (mais aussi des conducteurs, des semi-conducteurs et des supraconducteurs)
• Chimiquement stables, résistant à l’oxydation…
• Grande gamme d’autres propriétés utiles :
o
céramiques à constantes diélectriques élevées
o
céramiques à constante piézoélectrique élevée
o
céramiques magnétiques
o
électro-optiques
I.13
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On les choisit souvent pour leurs propriétés combinées qui ne se trouvent pas dans les autres
matériaux :
• Résistance mécanique et à l’oxydation
• Conducteurs électriques transparents
• Magnétiques non conducteurs électriques…
Quelles sont les propriétés qu'on trouve seulement parmi les métaux?
•
La ductilité. On peut forger les métaux, mais jamais les céramiques (qui sont fragiles).
•
La brillance d'une surface métallique propre (souvent des oxydes à la surface!).
Quelles sont les propriétés qu'on ne trouve que dans les céramiques?
•
Résistance électrique très élevée avec stabilité en température (qui manque au polymères)
•
Dilatation thermique faible
•
Résistance à l'oxygène avec stabilité mécanique haute température
1.6. Importance économique
Les céramiques jouent un rôle important dans les composants passifs (composants qui ne sont pas des
semiconducteurs) dans l'électrique, électronique, et microélectronique. On estime le marché des
composants passifs à 180 Mia $ par année. Il y a par exemple un condensateur en BaTiO3 qui se vend à
1'200 Mia pièces par année, donc environ 200 pièces par habitant de la terre. La téléphonie mobile
n'existerait pas sans les filtres RF en matériaux piézoélectriques, et la miniaturisation des portables ne
pourrait pas se faire sans les LTCC, les "low temperature cofired ceramics".
Table 1.1. Le marché aux USA des céramiques techniques montre une croissance annuelle de 8.3 %:
Chiffres en Mio. US$
Structural
2003
2008
515
900
5'720
8'520
860
1'290
Procédés chimiques et environnement
1'550
2'170
Total
8'745
12'880
Electronique
Revêtement en céramique
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Litérature:
En français:
-
A. C. Pierre, "Les Céramiques Techniques", 1994
Données pratiques pour l’ingénieur:
-
R. Morrell, "Handbook of properties of technical and enginering ceramics", Part 1, 1989
-
S. Schneider, "Engineering Materials Handbook", Vol.4 Ceramics and Glasses, 1991
Texte général:
-D. W. Richerson, "Modern Ceramic Engineering", 1992
-M. Barsoum, « Fundamentals of ceramics », 1997
Les Céramiques fonctionnelles:
-A.J. Moulson, " Electroceramics ", 1990
-R.C. Buchanon, ed., « Ceramic materials for electronics », 2004
I.14