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EnglishRÉSUMÉ
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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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 :
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les matières premières plastiques, argiles et kaolins ;
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les charges, dont notamment le quartz ;
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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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2. Classification des compositions de céramiques silicatées
La composition en matières premières minérales de la majorité des céramiques silicatées s'inscrit dans le triangle argile et kaolin – quartz et autres charges granulaires – fondants de type feldspath ou composés apportant des éléments alcalins (principalement sodium et potassium) ou alcalino-terreux (principalement calcium et magnésium).
De façon générale, il n'existe pas de séparations nettes entre les compositions des différents types de céramiques silicatées, mais plutôt des transitions progressives. D'autre part, la grande variété de ressources minérales disponibles dans la nature, avant ou après sélection et traitement industriel, crée une variabilité de compositions possibles pour un type de produit céramique. Il est quand même possible de définir des domaines de composition en matières premières minérales qui sont présentés dans la figure 2. Les trois zones représentatives présentées sont :
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les terres cuites ;
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les pâtes poreuses de terre cuite, de faïence et de poterie ;
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les pâtes vitrifiées de grès, vitréous et porcelaine.
Les produits correspondants à ces domaines de composition sont présentés dans le tableau 4 pour les terres cuites, les poteries, la faïence, les grès (pâte colorée) et les vitréous (pâte blanche vitrifiée), ainsi que les porcelaines.
Dans la figure 2, on voit que les domaines de composition sont proches, mais que des différences significatives existent entre les types de céramiques silicatées, en fonction du type de matières premières utilisé et de la température de cuisson. En particulier, le tableau 4 indique que la porosité et la température de cuisson sont très différentes entre les différentes céramiques.
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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).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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
Confédération des industries céramiques de France
Société de l'industrie minérale http://www.ceramique.org;...
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