LA CÉRAMIQUE

Outre les verres, les liants hydrauliques et les émaux sur tôle, on distingue parmi les céramiques traditionnelles les produits céramiques poreux (poteries, produits réfractaires, faïence fine, etc.) et les produits céramiques imperméables (grès cérames, porcelaines, etc.), dont la pâte a été vitrifiée à haute température. La base commune des pâtes céramiques est l'argile, dont le type est le kaolin, employé dans les poteries blanches, la faïence fine et la porcelaine. On lui ajoute des éléments non plastiques et des fondants, qui provoquent la vitrification des pâtes. Les pâtes sont préparées en mélangeant les éléments dans des délayeurs, des malaxeurs ou des moulins broyeurs. Elles sont ensuite façonnées sous forme liquide, sous forme de pâte presque sèche ou sous forme de pâte plastique. La porcelaine cuite à son premier feu, à basse température, est appelée « dégourdi » : la pâte présente une consistance et une porosité lui permettant de subir l'émaillage ; la porcelaine est ensuite cuite à haute température et acquiert ses caractéristiques définitives, mais elle peut encore faire l'objet d'une troisième cuisson si la décoration comporte des ors ou des couleurs vitrifiables sur couverte. Les pièces non émaillées, mais cuites à fond en une seule cuisson, sont appelées « biscuit ». Les poteries communes sont cuites, en général, en charge et en pleine flamme, tandis que les poteries fines, faïences et porcelaines, sont cuites en cassettes.

CÉRAMIQUES INDUSTRIELLES
Introduction

Aujourd'hui, la famille s'est élargie aux céramiques techniques, qui conservent les propriétés des céramiques classiques mais qui ont acquis des capacités mécaniques nouvelles. Si bien que l'on parle aujourd'hui de céramiques thermo-industrielles, de céramiques structurelles ou encore, dans le monde anglo-saxon, de céramiques fines. Ces définitions s'appliquent à toute une famille de produits possédant plusieurs points communs : les matières de base sont d'origine minérale et préparées sous forme de poudres ; la mise en œuvre passe par une double étape de compression et de cuisson, qui donne la forme définitive à la pièce.

Cette nouvelle génération de céramiques est capable de subir des contraintes sévères : protection thermique de pièces exposées à de hautes températures, composants de moteurs à explosion, pièces d'usure. Aussi ce secteur fait-il l'objet d'une intense bataille économique et industrielle entre le Japon, les États-Unis et l'Europe. Tous trois investissent des sommes considérables dans des programmes de recherche et de développement. Une nouvelle ère s'ouvre donc pour les céramiques. Elles pourraient bien devenir le matériau de l'an 2000 pour toutes les applications où la performance prime les autres facteurs. Outre leurs capacités thermiques, leurs qualités sont nombreuses : faible densité, dureté élevée, résistance à l'usure, à l'abrasion et à la corrosion, transparence optique, perméabilité magnétique.

Les céramiques techniques sont promises à un grand avenir dans les moteurs thermiques, où leur utilisation dans les parties en contact avec les gaz brûlants annoncerait la réalisation d'un moteur pouvant fonctionner sans refroidissement forcé.

Une famille nombreuse
Oxydes, nitrures ou carbures d'aluminium, de silicium ou de titane, les céramiques techniques font principalement appel à des combinaisons binaires de corps simples, à des matières premières extrêmement répandues dans l'écorce terrestre, géographiquement bien réparties et dont l'exploitation minière ne pose pas de difficultés particulières. Mais la transformation de ces minéraux en poudres ou en fibres et leur mise en forme à l'échelle industrielle demandent des moyens lourds.

Les céramiques sont généralement classées en deux grandes familles : les oxydes et les non-oxydes. Les premières comprennent les grandes céramiques classiques : alumine (Al2O3), silice (SiO2), zircone (ZrO2) ou encore oxyde de titane (TiO2). Les céramiques non-oxydes comprennent les carbures de silicium (SiC), de titane (TiC) ou encore de bore (B4C). Certaines d'entre elles, comme les carbures de bore et de silicium, ont la dureté la plus élevée de tous les matériaux actuellement connus, diamant mis à part. Les nitrures sont surtout à base de silicium (Si3N4), de titane (TiN), de bore (BN) ou d'aluminium (AlN). Parmi les céramiques tertiaires et quaternaires, les principales sont les « SiAlON », qui portent le nom de leur formule, et les « SiMON » (où M représente un métal). D'autres sont encore plus complexes, comme les LAS (composés de Li, Al, Si), la cordiérite ou la mullite. À cette grande famille des céramiques du type poudre, il convient d'ajouter les céramiques fibres, très prometteuses (SiC et SiCN) : le carbure de silicium joue le rôle de fibre et de matrice dans les matériaux composites SiC/SiC. Elles restent réservées à quelques applications militaires ou spatiales.

Une mise en œuvre complexe
Les céramiques techniques lancent un défi : comment fabriquer des objets à partir de poudres fines ? La mise en forme de la pièce doit précéder l'élaboration du matériau, procédé inverse de celui de la métallurgie classique. En effet, les alliages métalliques passent d'abord par une phase liquide avec addition d'éléments qui leur confèrent les propriétés physico-chimiques recherchées ; puis ils sont coulés dans des moules, usinés ou déformés plastiquement. À l'opposé, les poudres céramiques sont d'abord mélangées à des additifs plastifiants et pressées à cru pour obtenir une forme qui se rapproche le plus possible de la pièce finale. Ce composant reçoit ensuite des traitements mécaniques ou thermiques destinés à lui donner ses caractéristiques finales. Étant donné la dureté des céramiques, les opérations de finition sont coûteuses et doivent rester limitées. C'est l'une des principales difficultés du développement industriel de ces matériaux.

La première étape consiste donc à fabriquer des poudres aux qualités précises : pureté chimique, grande surface spécifique, homogénéité élevée, granulométrie contrôlée. Ces poudres ont des diamètres variant entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres et même parfois inférieurs au micromètre. Elles sont élaborées par des procédés chimiques ou mécaniques : sol-gel, coprécipitation, atomisation, lyophilisation, pyrolyse de composés organiques, décomposition par plasma, projection.

La mise en forme consiste à comprimer les grains de poudre de façon à créer entre eux des liaisons permanentes. Idéalement, le produit comprimé devrait atteindre la densité du constituant de base. En réalité, celle-ci n'est pas atteinte à cause des irrégularités de forme et de la dispersion dimensionnelle des poudres. Un liquide ou un liant organique sont ajoutés aux poudres pour les rendre plus manipulables, puis le mélange pâteux est densifié par pressage, extrusion, coulage ou injection dans un moule.

Le mode de fabrication est choisi en fonction de la cadence de fabrication souhaitée. Le coulage en barbotine consiste à couler la solution liquide de céramique dans un moule en plâtre qui absorbe le liquide ; il convient aux pièces de forme complexe, comme les pipes d'échappement des moteurs. Le moulage par injection, d'une productivité élevée, est destiné à des petites pièces de précision. L'extrusion donne, en continu, des profilés pleins ou creux. Après mise en forme, les pièces sont cuites dans un four à haute température et sous haute pression.

Les produits actuels
La course vers les hautes températures n'intéresse pas les seuls moteurs. Dans de nombreux équipements industriels, l'augmentation de la température de travail se traduit par un gain de productivité important, notamment dans les fours utilisés en sidérurgie, dans l'industrie du verre ou dans l'industrie céramique elle-même. Une céramique comme le carbure de silicium, qui combine résistance thermique, conductivité électrique et inertie chimique, permet d'envisager des éléments chauffants capables de travailler à près de 2 000 °C. Les mêmes contraintes et les mêmes possibilités d'utilisation existent pour les échangeurs thermiques.

Le fil d'un outil de coupe subit des contraintes mécaniques, thermiques et d'usure considérables. De plus en plus, l'alumine, le carbure de silicium et d'autres céramiques se substituent aux alliages métalliques qui contiennent des métaux rares comme le cobalt ou le tungstène. La biocompatibilité des céramiques les rend utiles en génie biomédical : prothèses osseuses en alumine, implants dentaires. Leur inertie chimique justifie certaines applications très particulières, comme les membranes de filtration pour la séparation isotopique de l'uranium.

Avec la multiplication des applications électroniques et l'intégration croissante des circuits, la dissipation thermique est devenue un facteur important. Ici, la capacité des céramiques à évacuer des calories et leur faible dilatation sont appréciées. L'alumine a été longtemps le matériau roi pour cette application avant d'être détrônée par d'autres céramiques encore plus performantes : nitrures d'aluminium, carbure de silicium ou de béryllium, l'usage de ce dernier étant probablement limité par sa toxicité. Il faut aussi noter l'arrivée de céramiques supraconductrices de la famille des YBaCuO, qui ont révolutionné le monde de la recherche il y a quelques années.

Les céramiques thermomécaniques
Les applications thermomécaniques des céramiques sont les plus intéressantes de toutes, mais aussi les plus délicates. Elles doivent se substituer à des métaux et alliages métalliques qui perdent tout ou partie de leurs propriétés dès que la température dépasse quelques centaines de degrés Celsius. Les composants mécaniques exposés à de très hautes températures, entre 1 000 °C et 1 400 °C, sont le domaine d'excellence technique et économique de ces céramiques.

Les meilleurs matériaux métalliques utilisés actuellement (superalliages à base de nickel) perdent une partie significative de leurs propriétés dès que la température dépasse 500 °C, et leur utilisation s'arrête à environ 1 100 °C. Cette température limite est de 1 200 °C pour les céramiques de la famille alumine et zircone et de 1 400 °C pour le carbure et le nitrure de silicium. Ce gain dans la température de fonctionnement des moteurs thermiques n'est pas la simple recherche d'un exploit technique ; il améliore directement leur performance et leur rendement. Ainsi, les experts de General Motors estiment qu'un moteur à explosion qui fonctionnerait à une température d'environ 1 300 °C aurait un rendement supérieur de 30 % à celui d'un moteur classique, qui fonctionne à une température d'environ 900 °C et qui, malgré le refroidissement, est limité par les matériaux actuels. Un tel moteur permettrait, à puissance égale, une économie de consommation de l'ordre de 30 %. De même, les spécialistes de l'aéronautique estiment qu'un gain de 100 °C sur un turboréacteur entraînerait une amélioration d'environ 10 % dans la performance du moteur. Tous les grands constructeurs d'automobiles ont engagé un programme de développement de moteurs plus ou moins céramisés : têtes de piston, cylindres, chambres de combustion revêtus de céramique. Au Japon, Nissan a commercialisé un modèle sportif équipé d'un turbo chargeur en nitrure de silicium. Plus modestement, des pipes d'échappement sont utilisées en série par certains constructeurs européens.

À ces caractéristiques thermiques s'ajoute l'avantage d'une densité moindre. La majorité des céramiques thermiques sont au moins deux fois plus légères que les alliages ferreux. Un moteur automobile céramisé aurait donc le double avantage d'être à la fois plus léger et plus performant. De plus, il pourrait, en principe, se passer de refroidissement (ventilateur, pompe à eau, vase d'expansion) et devenir ainsi adiabatique ou semi-adiabatique, c'est-à-dire fonctionner sans échange thermique avec l'extérieur, ce qui est le rêve de tous les motoristes ayant le sens de l'économie. Mais toutes les difficultés sont loin d'être résolues, en particulier celle de la liaison entre le revêtement de céramique et les métaux, qui conservent leur rôle de support. Il s'agit d'un assemblage particulièrement difficile, car ces deux matériaux ont des coefficients de dilatation très différents.

En dehors des applications en construction automobile, les céramiques techniques trouvent déjà des applications à température ambiante. C'est le cas de blindages militaires, renforcés de fibres à base de carbure de bore. Elles sont aussi utilisées pour renforcer des composants soumis à des contraintes d'usure élevées : éléments de pompe dans l'industrie minière, buses de pulvérisateurs. Mais c'est dans le secteur spatial que l'on entrevoit les applications les plus ambitieuses. Les navettes américaines ont montré la voie avec leur revêtement isolant en tuiles de silice, rapportées sur le corps du vaisseau. L'avion spatial européen Hermes devait faire appel à des solutions encore plus originales. Sa protection thermique était assurée par des panneaux en céramiques qui servaient aussi d'éléments de structure. Au total, Hermes devait comporter près de deux tonnes de produits céramiques.

BEAUX-ARTS

Amphore
Inaltérable et employée à divers usages, la céramique est un témoin privilégié des civilisations. Des récipients du néolithique aux réalisations actuelles, les céramiques doivent leurs qualités distinctives à la composition de leur pâte et à leur mode de cuisson. Mais les machines industrielles ne font qu'imiter les gestes millénaires du potier pour mettre en œuvre une technique dont le principe reste fondamentalement le même : transmutation au four d'une matière molle – à l'origine de l'argile (en grec keramos) mélangée à des dégraissants (sable, quartz, cendres, fragments végétaux, paille, calcite…) – en un produit dur et solide.

Alexandre Brongniart, directeur de la Manufacture de Sèvres de 1800 à 1837, propose une classification en fonction de la dureté et de la porosité de la pâte : il distingue les pâtes tendres, opaques et poreuses cuites à basse température, qui peuvent être vernissées ou émaillées ; les faïences fines et les grès, durs, opaques et imperméables ; enfin, les porcelaines, dures ou tendres.

D'usage universel et multiple, la céramique reste jusqu'à nos jours matériau de construction, de revêtement mural, de pavement, d'expression esthétique, et a connu, de la cuisine à la table, des fortunes diverses. Les caravanes de l'Islam, les compagnies portugaises puis hollandaises, en introduisant la porcelaine chinoise, ont bouleversé l'histoire de la céramique occidentale : la quête de la composition de ce matériau mystérieux se soldera par la découverte du kaolin par Frédéric Böttger, en 1709.

Les premières céramiques
La Fresque céramique est connue au Proche-Orient dès le mésolithique, vers 7800 avant J.-C. Les premières pièces sont à fond plat et à paroi très épaisse. D'abord solidifiées au soleil, elles sont bientôt cuites à four ouvert, après façonnage au colombin (rouleau d'argile en anneaux superposés et lissés). Très tôt on a recours à des moules : en pierre, en bois, en vannerie, voire, à Chypre, en fond de coloquinte. Dès le VIe millénaire, des décors sont pratiqués par estampage, incision ou adjonction.

Bien qu'elle soit plus ancienne, l'invention du tour est attribuée par la tradition à Palos, neveu de Dédale, vers 1200 avant J.-C. C'est à cette époque qu'apparaît le décor de couleur réalisé par l'emploi d'un engobe : la céramique est enduite d'une couche argileuse de même nature que la pâte, mais plus fine et plus diluée, teintée puis parfois polie. Réserves et incisions font apparaître la couleur de fond. L'Anatolie, la Syrie et la Palestine du IIIe millénaire mettent au point des modes de cuisson qui donnent des couleurs très brillantes, grâce à un engobe à base d'oxyde de fer qui devient rouge en atmosphère oxydante (four ouvert) et noir en atmosphère réductrice (four fermé et enfumé).

L'âge du bronze
Les progrès techniques qui accompagnent l'apparition du bronze rejaillissent sur les céramiques : la maîtrise du feu permet d'atteindre des températures plus élevées. L'Europe centrale et occidentale entre en contact avec le Proche-Orient et la Méditerranée, les objets circulent. Les modèles métalliques deviennent source d'inspiration. Ainsi, une «saucière» retrouvée dans le Péloponnèse reprend un modèle en or d'Arcadie, tandis que, en Chine, la céramique blanche des Shang répète les motifs des vases en bronze.

Alors que la céramique précolombienne voit apparaître la polychromie, sur des formes très inventives (vases polypodes, multibecs, anthropomorphes et zoomorphes, etc.), dans le Bassin méditerranéen c'est la civilisation minoenne qui offre, pour cette période du bronze, les productions les plus abouties. Dès les premiers palais (1900-1800 avant J.-C.), la céramique peinte atteint avec le style de Camarès une liberté et une souplesse que la perfection des poteries de Suse n'avait pas connues. Le style végétal des seconds palais (1600 avant J.-C.) trahit l'influence mycénienne qui dominera cette région au bronze récent. Cruches, vases à étrier, gourdes, cratères, « coupes à champagne », les formes se diversifient et les parois se couvrent d'un décor stylisé, qui deviendra abstrait aux XIIIe-XIe s.

Apparus dès le Néolithique, l'usage quotidien et la fonction religieuse se développent côte à côte. Les statuettes en terre cuite et la grande sculpture destinée aux sanctuaires sont là, à travers les vestiges archéologiques, pour témoigner de l'emploi courant à des fins cultuelles de la céramique à cette époque.

L'âge du fer
Découverte et mise au point par les Hittites au IIe millénaire, la technique du feu permettant d'atteindre des températures de l'ordre de 2 000 °C se répand lentement. En Chine, la métallurgie domine toutes les créations de cette époque et les céramiques empruntent leurs formes et leur décor au métal. En Étrurie, les céramiques noires d'aspect métallique témoignent de cette même influence, alors que la Grèce, et plus particulièrement Athènes, privilégie la production céramique.

Le Xe s. voit naître le style géométrique et ce que l'on appellera longtemps du terme impropre de « vernis noir », en réalité une argile délayée riche en oxyde de fer alliée à un produit alcalin qui se vitrifie à 800 °C. Cette technique connaît son apogée avec les figures noires du style attique (Exékias), et les figures rouges du peintre d'Andokidès (VIe s. avant J.-C.). Euphronios compte également parmi les grands noms qui marquent la période.

Aux figures animales et humaines de style raide et schématique de l'âge géométrique succèdent, sous l'influence des colonies grecques, entre les Xe et VIIIe s. avant J.-C., des sujets épiques et mythologiques où des motifs floraux, végétaux et des animaux fantastiques s'épanouissent sur des pièces d'une infinité de formes (on en a dénombré plus de 700).

Rome
Les Étrusques donnent l'apparence du métal à leur céramique dite bucchero nero. À leurs somptueuses terres cuites funéraires polychromes, les Romains préféreront le marbre, et le métal envahira les tables des riches, cantonnant la céramique aux usages domestiques : jarres, cruches, lampes à huile, etc.

La production, concentrée dans des ateliers régionaux, atteint un volume industriel avec les poteries sigillées : au IIIe s. avant J.-C., les Étrusques avaient mis au point une poterie rouge dont la terre, très fine et très homogène, était moulée au tour. Cette poterie rouge, dont la fabrication se maintiendra pendant toute la période romaine, sera exportée dans l'ensemble du Bassin méditerranéen, permettant une industrie florissante en Gaule au Ier s. après J.-C. On a découvert en 1979, à la Graufesenque, dans l'Aveyron, des fours où pouvaient être empilés jusqu'à 30 000 vases. Ces poteries, souvent ornées à l'aide d'un sceau (sigillum) et signées du potier, étaient largement exportées vers la péninsule Ibérique.

Les IIIe et IVe s. après J.-C. voient se développer des poteries dont la couverte rend un éclat métallique. Produite dans les mêmes centres que la sigillée, la céramique métallescente supplantera celle-ci.

Les céramiques européennes
Il faudra attendre le XIIIe s. en Espagne et la fin du Moyen Âge dans le reste de l'Europe pour que la céramique redevienne un objet recherché pour son luxe et sa beauté, notamment avec la faïence. L'Occident médiéval possède de nombreux centres potiers, dont ceux du Beauvaisis et de la Saintonge. Matières et couleurs seront pour leur part améliorées au XVIe s. par Bernard Palissy.

La faïence
Le terme désigne des poteries à pâte tendre, opaque, poreuse, recouvertes d'un engobe à base d'étain, appelé « émail blanc ».

L'Égypte et la Perse (briques de Suse) sont à l'origine des premières céramiques émaillées. On doit aussi au Moyen-Orient la découverte de l'émail stannifère blanc et opaque, qui donna naissance à la faïence, ainsi que celle du lustre. Ces techniques gagnent le pourtour de la Méditerranée et surtout l'Espagne (faïences lustrées hispano-moresques de Málaga et de Manises), du XIIIe au XVIe s. La faïence se répand également en Italie, où ces céramiques prennent le nom de « majoliques » (Faenza, Sienne, Deruta, Gubbio, Castel Durante, Urbino, etc.). C'est à partir du XVIe s. que se développent les principaux centres faïenciers de Delft (Hollande), Nevers, Rouen et Moustiers (France), bientôt imités par Lille, Saint-Cloud ou Sinceny. Les centres les plus importants des faïences dites « de petit feu » sont quant à eux Strasbourg, Marseille, Sceaux et Niederwiller. À la fin du XVIIIe s., l'importation massive des faïences fines anglaises ruine le commerce des faïences françaises.

Les grès
Les grès communs et les grès fins sont des pâtes dures partiellement vitrifiées, opaques et imperméables sans glaçure. L'art du grès, découvert en Chine vers le IIIe s. avant J.-C., fut en Europe la spécialité des pays du Nord. Il débute à la fin du Moyen Âge, mais acquiert ses lettres de noblesse au XVIe s. Au XIXe s., des céramistes comme Carriès, Chaplet, Delaherche font des recherches sur les grès d'Extrême-Orient et remettent cette technique à l'honneur.

La porcelaine
La porcelaine, inventée par les Chinois à l'époque Tang (618-907) et diffusée dès le VIIIe s. au Proche-Orient, est connue en Europe dès le Moyen Âge, mais elle n'est importée en grandes quantités qu'à partir du XVIe s., par les Portugais. Elle sera l'objet des recherches et la source d'inspiration des potiers, verriers et alchimistes occidentaux jusqu'au XVIIIe s.

Porcelaine tendre
En France, à la fin du XVIIe s., des faïenciers de Rouen, puis de Saint-Cloud mettent au point une véritable production de porcelaine tendre (manufactures de Chantilly [1725], Mennecy [1735] et Vincennes [1738], transférée à Sèvres en 1756). Cette production gagne l'Angleterre (Chelsea, vers 1745), les Pays-Bas autrichiens (Tournai, 1750), l'Italie (Capodimonte, 1743), etc.

Porcelaine dure
C'est à Meissen (Saxe), en 1709, que la première porcelaine dure semblable à la porcelaine chinoise est fabriquée par le chimiste allemand Böttger grâce à la découverte de gisements de kaolin. En France, la découverte des gisements de kaolin à Saint-Yrieix (Limousin) amène la fabrication de la porcelaine dure, à Sèvres (1768), puis à Limoges (1771) et en région parisienne (porcelaine de Paris).

 

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