TEMPÉRATURES PHYSICO-CHIMIE DES HAUTES

Propriétés physiques

Le choix d'un matériau, pour une utilisation à température élevée, résulte toujours d'un compromis entre ses différentes propriétés physiques et chimiques.

Les propriétés mécaniques sont très souvent celles auxquelles il faut veiller, car elles s'effondrent toujours bien au-dessous de la température de fusion ; le graphite et le tungstène ont les meilleures propriétés au-delà de 2 000 ⁰C. Ce sont les déformations plastiques, et éventuellement le fluage, qui abaissent la résistance mécanique aux hautes températures, même pour les matériaux fragiles qui ne sont pas ductiles aux températures moyennes. Pour les matériaux polyphasés, comme les céramiques industrielles, le fluage est souvent lié à la présence d'une phase vitreuse ou même fusible. Les corps fragiles ont une faible résistance à la traction mais peuvent présenter un excellent comportement à la compression et au choc mécanique : c'est le cas de l'alumine. Ils sont, par contre, très sensibles aux chocs thermiques lorsqu'ils sont mauvais conducteurs de la chaleur : un gradient de température provoque une contrainte mécanique d'autant plus forte que la dilatation est plus grande, et le gradient de température est d'autant plus élevé dans une pièce que la conductivité thermique est faible ; les matériaux à caractère métallique résistent bien, mais les autres ont une faible conductivité thermique aux hautes températures et, s'ils ne sont pas « plastiques », ils ne résistent pas aux contraintes de tension. La silice, qui a une très faible dilatation, est un des meilleurs matériaux non métalliques ; les matériaux denses, utilisés pour des pièces étanches, sont les plus sensibles.

La conductivité thermique d'un matériau dépend beaucoup de sa porosité, et les bonnes isolations sont généralement obtenues avec des matériaux en poudre, mais leur frittage limite leur emploi vers les très hautes températures, sauf pour le carbone qui ne se fritte pas, et qui peut être employé sous forme de poudre ou de feutre jusqu'à plus de 2 500 ⁰C. Au-delà de 2 000 ⁰C, les échanges de chaleur par rayonnement deviennent prépondérants, et l'on obtient de bonnes isolations avec plusieurs écrans de rayonnement, minces, plutôt qu'avec un seul écran épais.

Certains réfractaires qui ne sont pas des composés intermétalliques ont une conductivité électrique de type métallique ; c'est le cas des carbures de zirconium, de titane, de tungstène, de tantale, qui sont très réfractaires (points de fusion supérieurs à 3 000 ⁰C). Cependant, tous les matériaux isolants à basse température (verre, alumine) sont, en réalité, des semiconducteurs et présentent vers 2 000 ⁰C une conductivité appréciable ; on ne peut avoir d'isolement électrique qu'en limitant la température au-dessous de 1 900 ⁰C.

Le courant électrique peut être transporté par des électrons ou par les ions dans le cas des solides ioniques, tels que la zircone ; ces solides sont de véritables électrolytes à température élevée, et leur application aux piles à combustible est très sérieusement envisagée.

Les propriétés optiques de quelques solides à haut point de fusion sont remarquables ; le corindon, cristal d'alumine, a une bonne transparence dans la gamme des fréquences visibles et dans l'infrarouge, et l'on sait faire des monocristaux suffisamment grands pour y tailler des pièces d'optique. Les progrès apportés à la technique du frittage ont permis de réaliser des pièces frittées sans porosité, et translucides ; les lampes d'éclairage à halogène sont ainsi construites avec un tube d'alumine transparente.

Les propriétés magnétiques de certaines ferrites sont remarquables, et la physico-chimie de ces oxydes mixtes – Fe₂O₃, MO_n – autorise la fabrication[...]