Les céramiques spéciales désignent une classe de céramiques aux propriétés mécaniques, physiques ou chimiques particulières. Les matières premières utilisées et les procédés de fabrication requis diffèrent considérablement de ceux des céramiques ordinaires. Selon leurs caractéristiques et leurs applications, les céramiques spéciales se divisent en deux catégories : les céramiques structurales et les céramiques fonctionnelles. Les céramiques structurales sont utilisées comme matériaux de construction pour l’ingénierie et présentent généralement une résistance mécanique élevée, une dureté élevée, un module d’élasticité élevé, une résistance aux hautes températures, à l’usure, à la corrosion, à l’oxydation et aux chocs thermiques, entre autres caractéristiques.
Il existe de nombreux types de céramiques structurales, présentant chacune des avantages et des inconvénients, et leurs domaines d'application varient. Parmi celles-ci, les « céramiques en nitrure de silicium », grâce à leur équilibre de performances global, sont reconnues comme offrant les meilleures performances globales de la famille des céramiques structurales et possèdent un champ d'application extrêmement vaste.
Avantages des céramiques en nitrure de silicium
Le nitrure de silicium (Si₃N₄) peut être décomposé en composés à liaisons covalentes, dont l'unité structurale est le tétraèdre [SiN₄]₄. La figure ci-dessous illustre la position des atomes d'azote et de silicium : le silicium se trouve au centre du tétraèdre, tandis que les quatre sommets sont occupés par des atomes d'azote. Chaque groupe de trois tétraèdres partage un atome, formant ainsi un réseau tridimensionnel. De nombreuses propriétés du nitrure de silicium sont liées à cette structure tétraédrique.
Il existe trois structures cristallines du nitrure de silicium : les phases α, β et γ. Les phases α et β sont les plus courantes. Grâce à la forte liaison des atomes d'azote, le nitrure de silicium présente une résistance mécanique, une dureté et une tenue aux hautes températures élevées (jusqu'à HRA 91-93). Sa rigidité thermique est excellente, lui permettant de résister à des températures de 1300 à 1400 °C. Sa faible réactivité chimique avec le carbone et les métaux lui confère un faible coefficient de frottement. Autolubrifiant, il est résistant à l'usure. Sa résistance à la corrosion est élevée : à l'exception de l'acide fluorhydrique, il ne réagit pas avec les autres acides inorganiques et résiste à l'oxydation à haute température. Il présente également une bonne résistance aux chocs thermiques : un refroidissement rapide suivi d'un réchauffement tout aussi rapide ne le déforme pas. Le fluage des céramiques de nitrure de silicium diminue à haute température, et la déformation plastique lente est faible sous l'effet de la température élevée et d'une charge fixe.
De plus, les céramiques de nitrure de silicium présentent également une résistance spécifique élevée, un mode spécifique élevé, une conductivité thermique élevée, d'excellentes propriétés électriques et d'autres avantages, ce qui leur confère une valeur applicative particulière dans des environnements extrêmes tels que les hautes températures, les vitesses élevées et les milieux fortement corrosifs. Elles sont considérées comme l'un des matériaux céramiques structuraux les plus prometteurs pour le développement et l'application, et deviennent souvent le premier choix dans de nombreuses applications nécessitant des tests.
Date de publication : 15 août 2023