Les céramiques avancées, également appelées céramiques spéciales, font référence à des matériaux céramiques préparés à partir de céramiques traditionnelles utilisant des technologies chimiques et physiques avancées, avec d'excellentes propriétés dans les domaines mécanique, thermique, optique, acoustique et électrique. Comparés aux métaux et aux matériaux polymères, les matériaux céramiques avancés possèdent des propriétés structurelles incomparables telles qu'une dureté élevée, un module élevé, une résistance aux températures élevées et à la corrosion, ainsi que d'excellentes propriétés fonctionnelles telles que l'isolation électrique, la transmission de la lumière et la transparence des ondes. Par conséquent, ils sont de plus en plus utilisés dans les domaines de l’aérospatiale, des technologies de l’information, de la défense nationale et de l’industrie militaire, du biomédical et des nouvelles énergies.
Le processus de préparation des céramiques avancées comprend principalement la préparation de la poudre, la formation du corps vert et le frittage. Parmi ceux-ci, le formage et le frittage sont les facteurs directs qui déterminent les propriétés des produits céramiques. Le formage fait référence à la transformation de la poudre en un corps vert avec des dimensions et une forme spécifiées et une certaine résistance mécanique. Le frittage fait référence au processus par lequel le corps vert, à une température élevée en dessous de son point de fusion, élimine les pores, se densifie et forme un corps fritté doté d'une certaine résistance.
01 Préparation de la poudre
Les méthodes de préparation des poudres céramiques avancées peuvent principalement être résumées en trois catégories : les méthodes en phase solide-, les méthodes en phase liquide - et les méthodes en phase gazeuse -.
La méthode en phase solide-utilise des substances solides comme matières premières de départ pour préparer des poudres céramiques ultrafines. Les exemples incluent la réaction à l'état solide-à haute température-, la réduction carbothermique, la réaction de gaz -solide, la décomposition thermique du sel et la synthèse par combustion à haute température-auto-propagée-. Il se caractérise par sa capacité à être produit en série et son coût relativement faible, mais des impuretés sont parfois présentes.
La méthode en phase liquide-se caractérise par un contrôle facile de la composition chimique, un mélange uniforme à l'échelle ionique ou moléculaire et la capacité de préparer des poudres céramiques à l'échelle nano- et submicronique-d'une grande pureté et d'une bonne activité de frittage. Il est particulièrement adapté à la synthèse de poudres d'oxydes simples-ou d'oxydes composites-pour les céramiques structurelles et les céramiques fonctionnelles, et est donc largement utilisé. Les méthodes courantes en phase liquide-incluent la précipitation chimique, les méthodes hydrothermales et les méthodes sol-gel.
La méthode en phase gazeuse-synthétise la poudre céramique souhaitée par des réactions chimiques de gaz réactifs dans un environnement à température localement élevée-. Il comprend le dépôt chimique en phase vapeur, la synthèse en phase plasma gazeuse-, etc. Les poudres synthétisées par les méthodes en phase gazeuse-ont une grande surface spécifique et adsorbent facilement l'humidité ou s'agglomérent, ce qui les rend impropres au frittage de céramiques structurelles à haute-densité et de matériaux céramiques électroniques. De plus, les matières premières et les équipements de synthèse de réaction utilisés dans les méthodes en phase gazeuse-sont coûteux et ont une très petite capacité de production, ce qui entraîne des coûts de préparation de poudre élevés.
02 Processus de formage
Selon l'écoulement et les propriétés rhéologiques du corps, les méthodes de formage peuvent être divisées en trois catégories : le formage sous presse à corps sec, le formage de corps en plastique et le formage en suspension.
Le formage sous presse, également appelé moulage par compression, consiste à ajouter une petite quantité de liant à la poudre (teneur en humidité contrôlée entre 4 % et 7 %, voire aussi faible que 1 % à 4 %) pour la granulation, puis à placer la poudre granulée dans un moule et à la presser sous une presse pour former un corps vert d'une certaine forme. Le formage sous presse est divisé en pressage à sec et pressage isostatique.
Le formage du plastique utilise un corps en plastique comme matériau de départ et utilise la pression générée par le mouvement du moule pour déformer plastiquement le corps en un corps vert. Les matières plastiques sont principalement constituées de poudre céramique, de liant, de plastifiant et de solvant, et leur processus de préparation des matières premières est exigeant. Le corps en plastique contient une quantité relativement importante d'agent de formage, mais généralement pas plus de 30 %. Les méthodes de formage du plastique comprennent l'extrusion, le calandrage de bandes, le moulage par injection, etc.
Le formage de boue utilise une suspension céramique fluide comme matière première. En plus des particules de poudre, la bouillie contient également de l'eau et un dispersant. La formation de boues comprend principalement le moulage en barbotine, le moulage en gel, le moulage en bande et autres.
Le formage du plastique et le formage de boues appartiennent tous deux aux processus de formage humide. Par rapport au formage à sec, les procédés humides peuvent contrôler plus facilement l’agglomération de la poudre et réduire la teneur en impuretés, produisant ainsi des produits céramiques aux formes complexes.
À mesure que les domaines d'application des céramiques avancées continuent de s'étendre, de nouvelles technologies telles que le dépôt centrifuge, le dépôt électrophorétique, le moulage par coagulation directe et la fabrication de formes libres solides ont émergé les unes après les autres.
03 Processus de frittage
Les corps verts en céramique doivent être frittés pour obtenir une microstructure dense. Essentiellement, le frittage est un processus de diffusion mutuelle entre différents composants de la poudre. En renforçant la liaison entre les particules, il confère aux matériaux céramiques une microstructure uniforme, une forme stable et une résistance mécanique relativement élevée. Les processus de frittage courants comprennent le frittage sans pression, le frittage par pressage isostatique à chaud, le frittage au plasma par étincelle et autres.
Le frittage sans pression consiste à fritter des matériaux sous pression atmosphérique sans appliquer de pression. Cette méthode est généralement réalisée sous oxygène ou sous atmosphère de gaz spécial. Lors du frittage sans pression, le corps vert formé n'est pas soumis à une pression externe ; l'agrégat de particules de poudre est simplement chauffé sous pression atmosphérique et transformé en un corps de grain lié.
Le frittage sous pression de gaz fait référence à l'application d'une certaine pression de gaz pendant le frittage de céramiques à haute température, comprise entre 1 et 10 MPa (c'est-à-dire 10 à 100 atm), pour supprimer la décomposition et la perte de poids des matériaux céramiques à haute température. Cela peut augmenter la température de frittage, favoriser davantage la densification et produire des produits céramiques à haute -densité.
Le frittage par presse à chaud-est un processus de densification combinant pression mécanique et haute température. En appliquant simultanément une pression axiale et un chauffage dans un moule, la force motrice du frittage est considérablement améliorée. Ce procédé présente trois avantages essentiels : obtenir une densification rapide, raccourcir le cycle de frittage et améliorer considérablement les propriétés mécaniques des matériaux. Il est particulièrement adapté à la préparation de céramiques à haute-performance.
Le frittage par pressage isostatique à chaud utilise un gaz inerte comme milieu et permet d'obtenir une densification de la céramique à haute température et à haute pression constante. Pour certains matériaux céramiques présentant de faibles coefficients d'autodiffusion - et difficiles à densifier par frittage conventionnel, le frittage par pressage isostatique à chaud peut être utilisé pour augmenter la force motrice de diffusion. Le frittage par pressage isostatique à chaud répond aux conditions de haute-pression et de haute-température requises pour le frittage de céramiques transparentes et présente des avantages uniques dans le frittage de corps verts en céramique transparente.
Le frittage plasma par étincelle (SPS) utilise un chauffage Joule direct généré par un courant continu pulsé, assisté par une pression mécanique. En raison de ses caractéristiques de frittage, il peut être utilisé pour préparer rapidement des céramiques à ultra-haute-température. Pour les céramiques à ultra-haute-température telles que Ta2AlC, TaC et ZrB2-SiC, le processus SPS peut obtenir des temps de frittage courts, des effets de renforcement évidents des grains fins, des propriétés mécaniques considérablement améliorées et une résistance à l'oxydation améliorée.
Le processus de frittage à froid, sous haute pression, ajoute un solvant transitoire à la poudre pour favoriser le réarrangement et la diffusion des particules, favorisant ainsi la densification de la poudre céramique à une température relativement basse et dans un temps relativement court. Ce processus crée la possibilité de frittage à basse-température pour préparer des céramiques structurelles et fonctionnelles à haute-performances. À l'heure actuelle, ce procédé a été appliqué avec succès à la préparation et au frittage de divers matériaux, notamment les céramiques d'oxydes typiques, les composites céramique/céramique, les céramiques diélectriques micro-ondes, les céramiques ferroélectriques et piézoélectriques, les électrolytes solides, les matériaux thermoélectriques et les composites céramique/nanomatériaux 2D.
La technologie de frittage par pression oscillatoire est basée sur le frittage par pression à chaud-et transforme une pression constante en pression dynamique. Grâce au réarrangement des particules provoqué par une pression oscillatoire continue, la densité de tassement de la poudre est augmentée avant le frittage. Dans le même temps, la pression oscillatoire fournit une force motrice de frittage plus importante pour le frittage de poudre, contribuant ainsi à favoriser la rotation et le glissement des grains ainsi que l'écoulement plastique à l'intérieur du corps fritté, accélérant ainsi la densification du corps vert. Ce processus a été utilisé dans la préparation de diverses céramiques structurelles, et des matériaux céramiques hautes-performances tels que ZrO2, Al2O3 et Si3N4 ont été développés avec succès.