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Les matériaux vitrocéramiques ont d’abord été développés à Corning Glass Works et partagent les propriétés à la fois du matériau de verre parent et des matériaux polycristallins. Dans cet article, nous examinons en quoi ils diffèrent des matériaux en verre, comment ils sont produits, certaines compositions typiques et leurs applications.

Matériaux en verre

Lorsque nous pensons aux matériaux en verre, nous avons tendance à penser aux fenêtres des bâtiments, des maisons et des transports. Bien que cela soit vrai, de nombreux types de verres différents existent, avec des compositions variables.

Les matériaux en verre sont généralement transparents et très cassants (lorsqu’ils ne sont pas traités thermiquement). La transparence résulte de l’absence de joints de grains et de pores dans la structure du verre. Ce manque de joints de grains conduit également à la fragilité, car les fissures peuvent se propager sans entrave.

Une autre caractéristique des verres est leur manque d’ordre sur leur structure c’est-à-dire que les atomes et les molécules sont disposés de manière aléatoire. Cela peut être mis en évidence dans une analyse par diffraction des rayons X (XRD), où un verre n’affichera aucun pic clairement défini. Un matériau cristallin, d’autre part, affiche un ordre dans sa structure et produira généralement des pics bien définis lorsqu’il sera analysé par DRX.

L’absence de cristallinité dans leur structure les conduit à être qualifiés d’amorphes ou de vitreux.

Matériaux en vitrocéramique

Les matériaux vitrocéramiques ont les mêmes compositions chimiques que les verres mais diffèrent d’eux en ce qu’ils sont généralement cristallins à 95-98% en volume, avec seulement un faible pourcentage de vitreux. Les cristaux eux-mêmes sont généralement très petits, inférieurs à 1 µm et le plus souvent de taille très uniforme. De plus, du fait de leur cristallinité et de leur réseau de joints de grains, ils ne sont plus transparents.

Propriétés des matériaux vitrocéramiques

Les matériaux vitrocéramiques se caractérisent généralement par :

• Haute résistance
• Haute résistance aux chocs
• Faible coefficient de dilatation thermique, parfois même coefficient de dilatation thermique négatif
• Bonne résistance aux chocs thermiques
• Une gamme de propriétés optiques, du translucide à l’opaque et parfois à l’opalescence.

Production de matériaux vitrocéramiques

Les composants en vitrocéramique sont formés en utilisant les mêmes procédés que ceux applicables aux composants en verre. Pour les transformer d’un matériau en verre vitreux en un matériau vitrocéramique cristallin, ils doivent être traités thermiquement ou dévitrifiés.

La dévitrification peut se produire spontanément pendant le refroidissement ou en service, mais est le plus souvent incorporée pour produire des vitrocéramiques. Cela implique de chauffer le produit en verre formé à une température suffisamment élevée pour stimuler la nucléation des cristaux dans tout le verre. La température est alors augmentée, ce qui induit la croissance des noyaux, cristallisant le verre restant.

La nucléation nécessite un nombre critique d’atomes convergeant pour former un noyau. Lorsque le noyau atteint la taille critique, la nucléation se produit. Dans de nombreuses compositions de verre, la nucléation est entravée par le fait que le matériau est à base de silice et très visqueux, ce qui rend difficile la réunion des atomes requis. Les compositions cristallines peuvent également être complexes rendant la nucléation difficile. Ces facteurs facilitent la formation et le refroidissement du verre sans cristallisation.

Le traitement thermique de dévitrification doit être soigneusement contrôlé pour s’assurer que le nombre maximum de noyaux est formé et que ces noyaux se développent en une structure cristalline fine uniforme. Afin d’obtenir une forte concentration de germes dans toute la structure, il est courant d’ajouter un agent de nucléation à la composition de verre.

Agents de nucléation

Les agents de nucléation les plus courants sont TiO ₂ et ZrO ₂ . D’autres matériaux qui ont été utilisés pour les agents de _nucléation comprennent le _P205 , le groupe du platine et les métaux nobles et certains fluorures.

Compositions vitrocéramiques

S’il existe de nombreuses compositions vitrocéramiques différentes, on distingue 3 grandes familles :

• LAS – Un mélange d’oxydes de lithium, d’aluminium et de silicium (Li ₂ O-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ), avec d’autres agents vitrifiants (par exemple Na ₂ O, K ₂ O et CaO).
• MAS – Un mélange d’oxydes de magnésium, d’aluminium et de silicium (MgO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) avec des agents vitrifiants
• ZAS – Un mélange d’oxydes de zinc, d’aluminium et de silicium (ZnO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) avec des agents vitrifiants

Applications de la vitrocéramique

Certaines applications de la vitrocéramique comprennent :

• Radômes – fabriqués à partir de Corning 9606 (2MgO.2 Al ₂ O ₃ , système cordiérite)
• Ustensiles de cuisine, ustensiles de cuisson et tables de cuisson – fabriqués à partir de Corning 9608 (système ß-spodumène)
• Miroirs télescopiques – fabriqués à partir d’Owens-Illinois Cer-vit (système ß-quartz)
• Isolateurs – fabriqués à partir de General Electric Re-X (système Li ₂ O.2SiO ₂ )
• Verre bioactif pour les biomatériaux – Le bioverre 45S5 (46,1 % en moles de SiO ₂ , 26,9 % en moles de CaO, 24,4 % en moles de Na ₂ O et 2,5 % en moles de P ₂ O ₅ ) a été approuvé par la FDA et de nombreuses variantes différentes de cette composition en ont résulté.
• Composants d’ingénierie – fabriqués à partir de Macor, une vitrocéramique usinable

Les références

• Comment sont définis le verre, la céramique et la vitrocéramique ? – IWT mondial
• Introduction à la céramique, deuxième édition, Kingery WD, Bowen HK et Uhlmann DR, John Wiley & Sons, 1976.
• La science et la conception des matériaux d’ingénierie, Schaffer JP et al, Richard D. Irwin Inc, 1995
• Ingénierie céramique moderne, Richardson DW, Marcel Dekker Inc., 1992.

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