Matériau réfractaire

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Matériau réfractaire est un terme technique signalant une résistance à une influence chimique, physique ou biologique qu’il faudrait préciser, mais qui semble évidente dans chaque domaine technologique. Lorsqu’il s’agit de corps ayant un point de fusion élevée ou de matériaux présentant une bonne résistance à la chaleur, c’est-à-dire aux effets induits par les hautes températures, l’expression est familière aux technologues concepteurs ou utilisateur de fours ou de moteurs, mais aussi au grand public.

Si le milieu extérieur est hostile à la vie encapsulée, la résistance d’un matériau réfractaire en interphase permet la survie.

[modifier] Terminologie

Réfractaire est un terme français recensé en 1539 par Robert Estienne, dans son dictionnarium latino-gallicum. Il provient du latin d’église refractarius, querelleur et signifie indocile. La racine latine est portée par le verbe refringere dont le premier sens est briser, abattre une cloison, le second sens est déjà relatif à la déviation des rayons lumineux entrant dans l’eau ou dans une substance vitreuse. D’autres acceptions variées portent sur l’insoumission à la loi commune ou la résistance à une imposition tyrannique en imposant une autre loi.
La réfraction ou réfringence lumineuse est une bonne illustration. La déviation du faisceau lumineux selon la loi de Snell-Descartes obéit à une contrainte des milieux physiques ou des phases traversés. Le milieu ou la phase est caractérisé par un indice de réfraction n dont la valeur est corrélée à la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu. Au passage de l’interface, une loi s’est substituée à une autre, dévoilant une brisure ou une séparation de phase pour la propriété physique. Une part du rayonnemnent est réfléchi. Cette réflexion, au sens du bas-latin reflexio, retour en arrière, suit aussi une loi géométrique précise : le faisceau reste dans le plan et les mesures de l'angle d'incidence et d'éloignement avec la normale à la surface touchée sont identiques.
Cette modélisation bien connue de la science naissante du XVIIe siècle semble avoir été adaptée à tous les types de flux alors plus ou moins mystérieux (rayonnement, son, chaleur...) traversant ou repoussé par les corps.

En 1762, le terme réfractaire a été appliqué à des matériaux résistants à la pénétration du flux calorique, c'est-à-dire à de hautes températures. Comme la vieille théorie calorique a longtemps été préservée, le vieux vocabulaire associé s'est maintenu et parfois a perduré dans les techniques modernes. Ainsi, en 1804, apparaît le réflecteur en céramique blanche, placé dans le renflement intérieur de nouvelles cheminées anglaises et améliorant le rendement par rayonnement.

Le renouvellement des conceptions sur la chaleur, en particulier l'équivalence avec l'énergie démontré par Mayer et Joule, vers 1845, n'a pas modifié les terminologies techniques, mis à part les termes en usage de calorimétrie comme la capacité calorifique, d'autant plus que la notion de température n'a été comprise que par des approches statistiques dites de Maxwell-Boltzmann. La réfraction thermique suppose que le gradient de température ou d’agitation moléculaire obéit à des lois différentes au cœur du matériau selon la nature du corps, nécessairement solide si l’échauffement est important en surface.

[modifier] Effet d’une source de chaleur sur la matière

Les matériaux réfractaires les plus communs, telle une brique réfractaire, possèdent une forte inertie thermique, ils se chauffent et se refroidissent avec lenteur, assurent ainsi une appréciable isolation thermique au contact d’une flamme ou d’un plasma, permettent aux parois des fours de contenir la source de chaleur ou diminuent la déperdition calorique d’un système de chauffage par exemple.

Ces matériaux sont souvent de mauvais conducteurs de la chaleur.

Cette inertie thermique est caractérisée par un coefficient appelé capacité calorifique : c’est l’énergie qu’il faut apporter à un matériau pour augmenter sa température relative d’un Kelvin (ou 1 °C).

$Q = m * C p * Δ T$

Avec : $Q$ = chaleur évacuée en Joules

$m$ = masse du corps en kg

$C p$ = capacité calorifique massique à pression constante du corps, en J/kg.K

$Δ T$ = différence de température entre le corps et le fluide, en Kelvin.

Comment un corps et une phase solide peuvent-ils évacuer l’excès de chaleur : - par la conduction thermique : Transfert de la chaleur à travers le corps.

- par la convection : Échange de chaleur dû aux mouvement du fluide en surface du corps.

Coefficient global d’échange surfacique P=Ks.S. $D e l t a T$

Ks=P/(S. $D e l t a T$

- par le rayonnement en particulier d’ondes électromagnétiques (infra-rouge à basse température, puis spectre visible du corps noir.

Les corps ou phases solides qui, placés dans l'enceinte d'un four à résistance électrique banal chauffé au maximun, supportent d'être soumis à des points chauds de plus de 1 500 °C et préservent une stabilité thermique et mécanique, sans inconvénient de dilatation exagérée, de ramollissement, d’effritement ou d’évaporation - volatilisation communs aux hautes températures, sont appelés communément réfractaires. Scientifiques et techniciens considèrent cette définition des années 1950 périmée. Les réfractaires sont pour eux des corps solides au delà de 1 800 °C, correspondant grosso modo à la température maximale de flamme de la combustion du gaz naturel et de l'air.

[modifier] Matériaux réfractaires, stables à haute température

Samsonov propose trois classes de matériaux réfractaires, prenant en compte les energies de cohésion solide et la nature des liaisons chimiques sollicités par la réfractairité :

1. les composés intermétalliques et métaux de transition

2. les composés formés entre éléments métalloïdes, par exemple carbure, nitrure, sulfures, phosphures de B ou de S, sans oublier le Bore et le Carbone.

3. les composés d'un métal et d'un métalloïde. Ce peuvent être des borures, carbures, nitrures, oxydes, siliciures et sulfures d'un métal.

Extrayons toutefois de cette troisième catégorie les oxydes. La singularité des états energétiques des oxydes d'alcalino-terreux en fait à haute température des composés iono-covalents.

Matériaux à base de silice, sous forme de fibre, ou tout matériaux poreux (contenant de l’air emprisonné).

La magnésie (MgO) est utilisée comme matériau réfractaire dans les fours.

Chaux, alumine, Le zircon (ZrSiO₄), la chromite (FeCr₂O₄) ou l’olivine ((MgFe)₂ SiO₄) sont parfois utilisés comment éléments réfractaires pour des moules dans la fabrication par moulage.

Ce peut être aussi des combinaisons d’oxydes :

kaolin (silice-alumine), argiles (silice-alumine-chaux), qu’on retrouve dans les céramiques, à commencer par les simples briques jusqu’aux faïences et porcelaines.

Chromite (oxyde chromique-oxyde de fer)

Une gamme de corps carbonés répondent à ces exigences : graphite, carbure, carburundum (SiC) préparé au four électrique

éléments réfractaires du groupe catégorie 1 . Métaux Tantale, tungstène