Un matériau réfractaire est un matériau qui a une forte résistance à un facteur (physique, chimique, biologique) susceptible de le dégrader, le plus souvent la chaleur. Par exemple, un four à bois peut être fait de briques réfractaires.
Terminologie Réfractaire est un terme français recensé en 1539 par Robert Estienne, dans son Dictionnarium latino-gallicum. Il provient du latin d’église , querelleur et signifie indocile. La racine latine est portée par le verbe 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 les lois 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 rayonnement 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 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 statistique de Maxwell-Boltzmann. La réfraction thermique suppose que le gradient de température ou d’agitation moléculaire obéisse à des lois différentes au cœur du matériau selon la nature du corps, nécessairement solide si l’échauffement est important en surface.
Histoire Les premières études des matériaux réfractaires doivent beaucoup aux fondeurs et aux spécialistes des arts céramiques, en particulier les faïenciers et fabricants de porcelaineLarchevêque Marc, Terres réfractaires, , Imprimerie G et M. Marin, Vierzon, 1921, 76. Au temps de l'acier conquérant et de la brique, culminant en 1880, la définition de la haute température définit le matériau réfractaire, qui résiste à . Elle est plutôt de l'ordre de pour les céramistes en 1900 et les moyens de mesure et la puissance des fours ne cessent de progresser. Mais les laboratoires scientifiques prennent la relève. En 1897, le four à arc électrique d'Henri Moissan atteint . Herman Nernst, en plaçant en 1903 un élément chauffant en matière réfractaire dans un four électrique, pulvérise le record. En 1905, Moissan volatilise du graphite à . En 1920, la limite dépasse . Vers 1950, la haute température débute vers . En 1980, le monde de la physico-chimie des hautes températures s'accorde au moins à , voire aujourd'hui plus de , température au-delà de laquelle les échanges par rayonnement deviennent prépondérants.
Outre la métallurgie et la sidérurgie, l'industrie des verres et des ciments, les industries mécaniques et la fabrication des matériaux réfractaires pour moteurs et fours sortent transformées de cette évolution séculaire. L'étude des combustions et des processus géochimiques peut aussi commencer avec de bons outils.
Définitions La définition américaine des « refractories », proche de la norme ASTM C71ASTM C71-12(2018) : , ., décrit des matériaux concrets, résistant bien à la chaleur et pouvant être utilisés pour des applications de chauffe ou de service au-delà de (). Ils constituent une barrière, un bouclier, un mur de protection ou une enceinte thermique pour les fours, fourneaux, réacteurs, revêtant les parois au sein des chambres de combustion et de toutes sortes d'unités de procédé thermique.
La caractéristique fondamentale d'un bloc ou d'un assemblage est la possibilité de garder enclos ou de préserver l'expansion d'un milieu confiné, formé de corps et de substances à hautes températures. Une modélisation locale le décrit plus efficacement sous la forme d'une paroi isolante vis-à-vis d'un second milieu, dit « extérieur », dans le cas d'un four. Les matériaux réfractaires choisis doivent résister aux contraintes thermiques et aux phénomènes physiques induits par les échanges de chaleur et les variations de températures locales, comme ils doivent nécessairement conserver une tenue physique, une cohésion mécanique, ne pas être trop facilement altérés par la corrosion ou rongés par les agents chimiques des phases physiques susceptibles d'être à son contact.
Même si on en exclut à priori les métaux, la première définition ci-dessus englobe une gamme très étendue de matériaux réfractaires : ils sont très dissemblables par leurs usages, parfois restreints entre certaines plages de températures, soumis à des durées d'exposition variables, à des refroidissements ou des chauffes brutales dans des milieux physiques spécifiques. En conséquence, il ne faut pas ignorer tout une foule de spécialistes de divers matériaux réfractaires : chercheurs, ingénieurs, scientifiques, techniciens et personnel qualifié d'usine.
C'est donc constamment pour des usages spécifiques que les matériaux réfractaires sont fabriqués à partir d'ingrédients synthétiques ou naturels. On peut citer les produits minéraux : alumines, argiles réfractaires, mullites, bauxites, chromites, dolomie, magnésie, ainsi que carbure de silicium en absence d'oxygène et zircone résistant à très hautes températures
L'inventaire de production des matériaux réfractaires américains recense plus de génériquesThe Refractories Institute à Pittsburgh.. Ils correspondent à une immense variété de types de fabrication industrielle, géométries, formes, assemblages, accessoires et ustensiles pour s'adapter à un grand nombre d'applications techniques.
Les manuels anglo-saxons retiennent souvent deux catégories : les briques et formes encastrables élémentaires, moulées et cuites ; les réfractaires techniques d'une pièce, parfois en gros blocs, et les spécialités qui incluent des revêtements protecteurs, sous forme de couches de matériaux céramiques ou plastiques, initialement dispersés à l'état solide ou fondu, badigeonnés, tassés ou damés, projetés sur un support adhérentPour un aperçu de la terminologie anglo-saxonne dominante en technique comme en science, voir ..
Dans le premier cas, la référence porte sur la construction d'un four de céramiste en brique. Mais la variété des éléments formant l'assemblage est très vaste. Leur masse peut être lilliputienne ou supérieure à plusieurs tonnes, comme la fusion des blocs de coulée. La construction de la structure, aux parois plus ou moins étanches, sujettes à des expositions à hautes températures, peut être simple ou sophistiquée, quasi gratuite ou terriblement coûteuse. Ainsi, la conception du bouclier de briques réfractaires de la navette spatiale a longtemps plombé les finances de la NASA, avant de faire sombrer par ses défaillances renouvelées le programme entier de la navette spatiale.
Dans l'industrie la plus commune, on retrouve la fabrication d'appareils et la construction d'installations, soumis à des sollicitations thermiques élevées : chaudières, fours, centrale de chauffe ou incinérateurs, mais aussi cornues et alambics, creusets, fours à céramiques ou de cimenterie, poches de coulée en fonderie, évaporateurs, installations de purification des métaux non ferreux
Et suivant les cas spécifiques énumérés, les matériaux réfractaires doivent, en plus d'encaisser les chocs thermiques et ses impacts physiques, affirmer diverses résistances : aux attaques chimiques. Il peut aussi se produire une altération par des réactions chimiques lentes, catalysées brusquement par des impuretés. La présence de sites acides ou basiques en surface ou accessibles par des conduits poreux transforme le matériau réfractaire en surface de catalyse, potentiellement réactiveRépartitions des sites apparaissant à hautes températures sur les surfaces : sites basiques (ou donneurs d'électron) majoritaires sur dolomie et magnésie ; sites acides (ou accapareurs d'électron) majoritaires sur silice, argiles, zircone ; sites acides ou basiques à peu près équivalents en nombre sur alumine, chromite, carbure de silicium, carbone, mullite.. L'inertie chimique idéale n'existe que dans la théorie livresque ; aux projections, aux impacts mécaniques de grains ou de particules arrachées, ainsi qu'à l'érosion lente de liquides divers tels que les métaux et alliages fondus, les verres fluides, la fonte en fusion.
L'univers de la technique est par essence composite, regroupé par spécialités qui s'ignorent en partie si ce n'est par un canal technologique souvent imposé par les besoins d'instruction et d'éducation. Il reste alors à retenir la définition prudemment issue d'un univers. Pour l'exemple céramique : Un matériau réfractaire résiste, sans se ramollir, à une exposition à la chaleur, dans un milieu à hautes températures, nécessaire aux travaux de métallurgie et de verrerie. Les réfractaires peuvent être argileux, siliceux, alumineux ou basiques, se présenter sous la forme de briques, de creusets, de pots, de cornuesJean Peyroux (Arts et métiers), Dictionnaire des mots de la technique et des métiers, Librairie Blanchard, Paris, 1985..
Si la seconde définition, simple et spécialisée, a le mérite de renvoyer à la définition des hautes températures tout en cernant un minimum d'applications, le monde scolastique propose actuellement une définition générale centrée sur un corps solide : il peut supporter des températures très élevées sans subir de transformation notable. Ces dernières transformations peuvent être caractérisées par des mesures : le point de fusion du solide supérieur à , la déformation limitée pour ne pas causer une déstructuration. En conséquence, on insiste sur le très faible coefficient de dilatation thermique et sur l'altération, suffisamment faible pour garantir une durée d'usage convenable, ce qui implique une résistance mécanique aux hautes températures et à des milieux corrosifs.
L'uniformité qualitative du produit réfractaire est déterminée grâce à des mesures mécaniques, telles que la résistance à la compression, .
L'industrie aéronautique et la technologie des missiles et des fusées ont orienté, au-delà de la capacité de résistance aux sollicitations des hautes températures, la fabrication des matériaux réfractaires vers un accroissement de la dureté, de la légèreté, ainsi que de la résistance mécanique et de la durée des structures assemblées. L'avancée des applications a pu produire avions furtifs et autres drones.
Effet d’une source de chaleur Les matériaux réfractaires les plus communs, par exemple la brique réfractaire, possèdent une forte inertie thermique. Exposés à une source de chaleur, ils chauffent relativement lentement, et une fois à température élevée, ils refroidissent avec lenteurLes bâtisseurs disent que les briques ..