Céramique transparente: quand la science-fiction s'invite dans le bâtiment
Pourquoi un matériau méconnu est-il source d’inspiration pour l’innovation en matière de façades?
La céramique transparente semble tout droit sortie de Star Wars: ultra-résistante, stable à haute température, pare-balles et pourtant translucide. En réalité, ce matériau – connu sous le nom d’oxynitrure d’aluminium – existe bel et bien, mais reste méconnu en dehors des secteurs de la défense et de l’aérospatiale. Pour le secteur du bâtiment, il s'apparente à un produit sans intérêt; pourtant, il offre un aperçu fascinant de l’avenir des façades à haute performance. La céramique transparente montre à quel point les matériaux peuvent atteindre une translucidité extrême, et pourquoi le verre est à la fois un matériau miracle et une limite matérielle.
L’aluminium transparent n’existe pas
Quand on entend parler d’aluminium transparent, on pense à des profilés de fenêtres futuristes, pratiquement invisibles. Pourtant, ce matériau existe déjà aujourd’hui. En réalité, il s'agit de la céramique transparente appelée oxynitrure d'aluminium (ALON). Ce matériau est aussi clair que le verre, mais mécaniquement plus résistant que presque tout ce que nous connaissons.
"Le nom 'aluminium transparent' est mal choisi, car l'aluminium est un métal qui ne laisse pas passer la lumière. L'oxynitrure d'aluminium est produit par frittage d'oxyde d'aluminium et de nitrure d'aluminium à des températures supérieures à 2.000°C. Le résultat est une céramique polycristalline dotée d'une structure de spinelle cubique qui laisse passer la lumière, tout en atteignant une dureté de 9 sur l'échelle de Mohs, comparable à celle du saphir. Par conséquent, l'ALON est insensible aux rayures causées par la silice – le principal coupable des dommages causés au verre, par exemple sur les pare-brises de voitures – et ne subit aucune rayure, même de la part des lames de couteaux métalliques les plus aiguisées", explique Jan Fransaer, professeur de science des matériaux à la KU Leuven.
Pourquoi le secteur de la construction reste à la traîne
Même si la céramique transparente laisse entrevoir de nouvelles possibilités, elle n’a aujourd’hui pratiquement aucune pertinence pour le secteur de la construction. Non pas parce que ce matériau n’est pas impressionnant, mais parce qu’il est moins performant que le verre sur tous les points essentiels.
Ce matériau est aussi transparent que le verre, mais mécaniquement plus résistant que presque tout ce que nous connaissons
"Les céramiques transparentes sont aujourd’hui coûteuses, de format trop petit et trop peu isolantes pour remplacer le verre de façade. On ne les trouve que dans les vitres pare-balles des véhicules militaires, les fenêtres équipées de capteurs pour les missiles et les drones, les composants optiques utilisés dans des environnements soumis à des températures ou à des pressions extrêmes ou – un peu plus près de notre quotidien – dans les scanners des supermarchés. Tant de produits passent par ce type de scanner en caisse qu’il doit absolument être résistant aux rayures", explique le professeur Jan Fransaer.
Les limites de l’ALON
Malgré ses propriétés matérielles impressionnantes, l’oxynitrure d’aluminium doit s’incliner devant le verre de façade classique. "Sur le plan optique, l’ALON n’atteint jamais la clarté du verre. En raison de la présence de joints de grains, la lumière est diffusée au sein de l’ALON, ce qui fait que le matériau conserve toujours un léger voile et n’égale jamais la transparence du verre à vitres amorphe.
Sur le plan thermique également, il n’est pas adapté aux applications de façade. Alors que le verre présente une conductivité d’environ 1,0 W/mK, celle de l’ALON avoisine les 15,0 W/mK. À cela s’ajoute la complexité de sa production. Outre la température élevée nécessaire au frittage, l’ALON doit être découpé et poli à l’aide de diamant ou de corindon. De plus, les dimensions restent limitées à environ 35,5 cm sur 61 cm, alors que le verre est coulé en continu en bandes de plusieurs mètres de large." La combinaison d’une forte consommation d’énergie, d’un usinage intensif et d’une évolutivité limitée rend l’ALON bien plus coûteux que le verre", résume le professeur Jan Fransaer.
Leçons pour l’innovation en matière de façades
Si la céramique transparente ne constitue pas une alternative au verre, elle montre toutefois jusqu’où la technologie des matériaux peut aller et offre une source d’inspiration à ceux qui travaillent sur des façades haute performance. Elle met également en évidence les limites physiques du verre. Ainsi, sa dureté exceptionnelle inspire la recherche de nouveaux revêtements anti-rayures pour le verre de façade, destinés à prévenir les rayures dues à la silice.
Le fabricant de verre Saint-Gobain explore quant à lui des revêtements hybrides verre-céramique afin de prolonger la durée de vie des façades transparentes. Les céramiques transparentes ouvrent également de nouvelles perspectives pour le verre de sécurité: la technologie des céramiques balistiques montre que les matériaux transparents peuvent être bien plus fins que le verre feuilleté tout en offrant la même résistance aux chocs. Cela stimule la recherche sur les composites associant le verre à des couches céramiques.
De plus, les céramiques restent stables jusqu’à des températures de 1.200°C, ce qui incite les chercheurs de CeramTec à rechercher des systèmes de façades transparentes résistants au feu — un domaine dans lequel le verre présente encore aujourd’hui des limites évidentes. En observant les domaines dans lesquels les céramiques excellent – dureté, résistance aux chocs et résistance à la chaleur –, on comprend en même temps pourquoi le verre est un matériau si exceptionnel: peu coûteux, transparent, isolant thermique et évolutif. Les céramiques transparentes montrent surtout à quel point il est difficile d’égaler cette combinaison. C’est précisément pour cette raison qu’elles offrent des perspectives précieuses pour l’avenir de la technologie des façades.