Céramiques et Verres
Les céramiques et les verres sont des solides inorganiques non métalliques — les céramiques cristallines et les verres amorphes — dont les liaisons ioniques et covalentes fortes confèrent une dureté élevée, une stabilité thermique et chimique, ainsi qu'une large gamme de comportements électriques et optiques.
Definition
Les céramiques et les verres sont des matériaux inorganiques non métalliques, soit cristallins (céramiques) soit amorphes (verres), liés par des forces ioniques et covalentes, et caractérisés par leur dureté, leur stabilité thermique, leur isolation électrique ou leur fonction contrôlée, et leur fragilité intrinsèque.
Scope
Ce domaine couvre la chimie des matériaux inorganiques non métalliques : la structure et la formation des verres par vitrification d'un liquide surfusionné ; les céramiques cristallines structurelles et fonctionnelles, y compris les oxydes, les carbures et les nitrures, utilisées pour leurs propriétés mécaniques, thermiques, électriques et optiques ; ainsi que le traitement des poudres et le frittage par lesquels les composants céramiques sont consolidés en corps denses. Il établit un lien entre la liaison et la microstructure et la fragilité, la réfractarité et la réponse fonctionnelle de ces matériaux.
Sub-topics
Core questions
- Qu'est-ce qui distingue un verre d'une céramique cristalline ?
- Comment la liaison confère-t-elle aux céramiques leur dureté, leur réfractarité et leur fragilité ?
- Comment les céramiques fonctionnelles sont-elles adaptées à des rôles électriques et optiques ?
- Comment les poudres céramiques sont-elles consolidées en composants denses ?
Key concepts
- Transition vitreuse
- Formateurs et modificateurs de réseau
- Céramiques d'oxyde, de carbure et de nitrure
- Fragilité et fracture
- Frittage et densification
- Céramiques fonctionnelles
Key theories
- Formation du verre par vitrification
- Lorsqu'un bain fondu est refroidi suffisamment vite pour éviter la cristallisation, il devient un liquide surfusionné de plus en plus visqueux qui se solidifie en un solide amorphe à la transition vitreuse ; les oxydes formateurs de réseau construisent le réseau tridimensionnel aléatoire caractéristique du verre.
- Liaison, microstructure et propriétés des céramiques
- Les liaisons ioniques-covalentes fortes et directionnelles rendent les céramiques dures, rigides et stables thermiquement et chimiquement, mais aussi fragiles, car il existe peu de moyens de les déformer sans rompre les liaisons ; la microstructure, en particulier la porosité et la taille des grains, contrôle ensuite la résistance et la fonction.
Clinical relevance
Les céramiques et les verres sont essentiels dans l'ensemble de la technologie : les céramiques structurelles fournissent des composants résistants à l'usure et à la chaleur, les céramiques fonctionnelles servent de condensateurs, de capteurs et d'électrolytes solides, les verres optiques forment des lentilles et des fibres, et les biocéramiques sont utilisées dans les implants — des applications toutes ancrées dans la liaison et la microstructure décrites ici.
History
Les céramiques et les verres comptent parmi les matériaux manufacturés les plus anciens, mais leur compréhension scientifique est récente : la théorie du réseau aléatoire de Zachariasen de 1932 a expliqué la structure du verre, et les travaux de Kingery au milieu du XXe siècle ont établi la science des céramiques en reliant le traitement, la microstructure et les propriétés, transformant un artisanat empirique en une discipline quantitative des matériaux.
Key figures
- W. David Kingery
- William Houlder Zachariasen
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kingery1976
- shelby2005
Frequently asked questions
- Le verre est-il un solide ou un liquide ?
- Le verre est un solide. Il est amorphe, dépourvu de l'ordre cristallin à longue portée de la plupart des solides, et il se forme par la solidification d'un liquide surfusionné à la transition vitreuse. L'ancienne affirmation selon laquelle le verre s'écoule sur des siècles est une idée fausse ; à température ambiante, sa viscosité est bien trop élevée pour un écoulement mesurable.
- Pourquoi les céramiques sont-elles solides mais fragiles ?
- Les mêmes liaisons ioniques et covalentes fortes et directionnelles qui rendent les céramiques dures et stables laissent également peu de mécanismes de déformation plastique. Sans mouvement facile des dislocations, la contrainte appliquée se concentre aux défauts et propage les fissures, de sorte que les céramiques se rompent par fracture fragile plutôt que par flexion.