Conception et constituants des céramiques réfractaires
Céramiques réfractaires

Les céramiques réfractaires sont des céramiques structurelles qui résistent aux hautes températures. Elles constituent un sous-ensemble des matériaux réfractaires.

Les réfractaires sont utilisés dans les « industries du feu », notamment dans tous les revêtements intérieurs des fours industriels. Ils sont présents au cœur chaud de la majorité des processus de transformation de la matière, de production de l'énergie ou de confinement de la chaleur impliquant des températures allant de 600 ^oC à plus de 2 000 ^oC.

Sans ces matériaux de grande diffusion, notre vie quotidienne serait sans aucun doute beaucoup moins agréable. En effet, nous ne disposerions pas d'acier, de fonte, d'alliages métalliques, de verre, de céramiques, de ciment ou de cracking de pétrole… à un prix raisonnable.

Il existe plusieurs grandes familles de réfractaires :

• les réfractaires électrofondus. La fusion des matières premières permet de produire, après solidification, des blocs ou pièces réfractaires électrofondus ;

• les réfractaires obtenus par agglomération de particules. Dans ce cas, la cohésion des particules s'obtient par frittage ou par réaction chimique. On distingue :

• les céramiques réfractaires, frittées par cuisson à haute température avant une éventuelle étape de finition,

• les réfractaires de carbone ou les composites oxydes-carbone à liants carbonés. La cohésion se fait par polymérisation des résines ou par polycondensation et réticulation dans le cas des brais et des goudrons,

• les réfractaires à liaison chimique minérale. Les liaisons minérales agissent à froid par formation de gels, puis à moyenne température par réaction chimique avec les particules fines du produit,

• les réfractaires à liaison hydraulique. La liaison assurée par l'hydratation d'un ciment réfractaire alumineux est mise en œuvre dans les bétons réfractaires.

Cet article traite uniquement des céramiques réfractaires. Les autres matériaux réfractaires ne seront pas abordés.

Les performances des céramiques réfractaires doivent beaucoup au savoir-faire du passé, notamment aux métiers des arts céramiques (en particulier la faïence et la porcelaine), puis aux industries du bâtiment (briques de construction, terre cuite, sanitaire…) et à la sidérurgie qui repousse les limites d'usage des céramiques réfractaires au-delà des 1 500 ^oC. En 1897, le four à arc atteint 2 000 ^oC. Au XXI ^e siècle, l'ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) mettra simultanément en œuvre plusieurs techniques de chauffage pour porter le plasma à 150 millions de degrés Celsius dans le cœur de la machine.

En dehors du niveau de température élevée et donc de l'infusibilité de ces matériaux qui est le caractère principal de tous les réfractaires, les céramiques réfractaires doivent posséder un nombre important de propriétés complémentaires pour résister aux sollicitations qu'elles subissent en utilisation. Dans la mesure où leur comportement est principalement gouverné par des phénomènes de corrosion, la composition chimique, la minéralogie, la microstructure et la porosité sont des caractéristiques essentielles. La connaissance des propriétés thermomécaniques des matériaux et des sollicitations des revêtements (choc thermique, érosion, blocage de dilatation…) sont également à considérer.

Toutes les céramiques réfractaires ont une caractéristique commune : leurs propriétés d'emploi sont fréquemment dépendantes de leur organisation à l'échelle de la microstructure allant typiquement du micromètre au millimètre. Ce domaine intermédiaire entre le microscopique et le macroscopique est le paramètre clé pour comprendre la plupart des propriétés et des mécanismes de dégradation de ces céramiques.

Après une présentation synthétique des céramiques réfractaires, les liens entre leurs propriétés d'usage et les dégradations en service notamment thermochimiques et thermomécaniques seront décrits et illustrés par quelques exemples d'utilisation. La conception et la mise en œuvre des céramiques réfractaires seront également abordées.