Les céramiques silicatées

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.