Science des matériaux

La science des matériaux repose sur la relation entre les propriétés, la morphologie structurale et la mise en œuvre des matériaux qui forment les objets qui nous entourent.


Catégories :

Science des matériaux

Recherche sur Google Images :


Source image : beruffer.anelo.lu
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Leur formation pluridisciplinaire concerne les matériaux de structure (métaux, polymères, céramiques, composites) et les semi-conducteurs et composants pour... (source : insa-france)
  • Le master en chimie et science des matériaux est une formation... durable ou les matériaux polymères, métalliques, céramiques et composites et les bio- et ... (source : uclouvain)
  • Verre - Céramique. Ancien élève de . 2006 - 2009 · Université Lille 1 Sciences et Technologies · Science des Matériaux... (source : viadeo)

Principe

La science des matériaux repose sur la relation entre les propriétés, la morphologie structurale et la mise en œuvre des matériaux qui forment les objets qui nous entourent (métaux, polymères, semiconducteurs, céramiques, composites, etc. ).
Elle est au cœur largement des grandes révolutions techniques. En particulier depuis un siècle[1] : électronique (ordinateurs, lecteurs de CD et DVD, etc. ), automobile (moteurs, carrosserie, phares, etc. ), aéronautique, énergies renouvelables (panneaux solaires... ), nanosciences, nanotechnologies, etc.

La connaissance et la maîtrise des phénomènes microscopiques (diffusion, arrangement des atomes, recristallisation, apparition de phases, etc. ) confèrent aux scientifiques ainsi qu'aux industriels la possibilité d'élaborer des matériaux aux propriétés ainsi qu'aux performances voulues.

La conception d'un cristal parfait est aujourd'hui physiquement impossible, mais ce sont fréquemment ses défauts structurels qui rendent intéressant un matériau. On utilise par conséquent les défauts dans les matériaux cristallins (tels que précipités, joints de grains, atomes interstitiels, lacunes, dislocations, etc. ) pour créer des matériaux avec les propriétés désirées.

Historique

Jusqu'au XIXe siècle l'utilisation des matériaux était principalement empirique. Une évolution majeure a eu lieu lorsque Josiah Willard Gibbs (1839-1903), physico-chimiste américain, réussit à démontrer que les propriétés thermodynamiques reliées à la structure atomique avaient un lien direct avec les propriétés physiques d'un matériau[2]. Suite à cela, la science des matériaux ne s'est plus limitée aux métaux ou aux céramiques et s'est énormément diversifiée, surtout avec le développement des plastiques, des semi-conducteurs après la Seconde Guerre mondiale[réf.  nécessaire]. Actuellement, le principal moteur de l'innovation de cette science est constitué par le développement de nouvelles technologies conçues pour des domaines de pointe tels que les nanotechnologies (l'infiniment petit) ou l'aérospatial.

Les grandes classes de matériaux

Métaux

Microstructure d'un acier au carbone avec ferrite en gris claire et la perlite en foncé

Les métaux sont des matériaux dont les éléments chimiques ont la particularité de pouvoir former des liaisons métalliques et perdre des électrons pour former des cations (exemple : Fe -> Fe2+ ou Fe3+). Ils peuvent être caractérisés autant de manière physico-chimique que de manière électronique (cf. section caractérisation). Les métaux se définissent par plusieurs particularités physiques. Ils sont de bons conducteurs électriques, cette caractéristique se mesure soit grâce à la conductivité soit grâce à son inverse, la résistivité. Ils sont aussi de bons conducteurs thermiques et possèdent un éclat lumineux. Du point de vue mécanique, ils se définissent par des propriétés telles que leur module d'élasticité (généralement élevé, de l'ordre de plusieurs GPa), leur dureté, leur ductilité, etc.

Sur Terre, on ne trouve presque les métaux que sous forme d'oxydes. Cependant, ils sont peu utilisés sous cette forme (excepté dans le domaine de la microélectronique). On préfère les utiliser purifiés (exemples du cuivre et de l'aluminium) ou sous forme d'alliages. L'aluminium est le métal le plus abondant dans la croûte terrestre. Il faut aussi noter l'importance du fer, qui est fréquemment utilisé sous forme d'acier ou de fonte après ajout de carbone.

Du point de vue économique, on note deux secteurs extrêmement importants, celui de l'acier et celui de l'aluminium. En 2007, la production mondiale d'acier s'élevait à 1, 3 milliard de tonnes soit une augmentation de 5, 4 % comparé à 2006[3]. Ce secteur est aujourd'hui dominé par l'entreprise Mittal Steel. Le secteur de l'aluminium est quant à lui partagé entre plusieurs grands groupes tels que Rio Tinto ou Alcan. En 2008, la production d'aluminium s'est élevée à 3, 1 millions de tonnes soit une augmentation de 11, 5 % comparé à 2006[4].

Polymères

Fibres de polyester observées au MEB

Un polymère est une macromolécule organique (ou quelquefois minérale) constituée d'un enchaînement répétitif d'au moins un type de monomère. Les monomères sont reliés entre eux par des liaisons covalentes. Les chaînes de polymères interagissent entre elles avec des forces plus faibles comme les liaison de van der Waals. Les propriétés des polymères dépendent surtout du type de monomère (s), de la nature de leur assemblage et du degré de polymérisation.

On peut distinguer les polymères naturels, les modifiés (polymères artificiels) et les synthétiques. On peut aussi les classer selon leur architecture. On peut distinguer par exemple les polymères linéaires, branchés (avec des ramifications) ou non, les dendritiques (ramifications dans les trois dimensions) et les réticulés ou tridimensionnels qui forment un réseau.

Les polymères peuvent être fabriqués de diverses façons. On peut citer :

Un autre type de classification des polymères est aussi selon leurs propriétés thermomécaniques. On peut distinguer :

On peut classer les polymères en deux types, selon leur comportement à la chaleur et sous pression :

Du fait de leurs propriétés intéressantes, les polymères ont progressivement envahi les industries et la vie quotidienne en remplaçant les matériaux respectant les traditions.

Céramiques

Pièces de roulements, céramiques Si3N4

Celles-ci sont composées d'éléments métalliques et non métalliques. Elles sont le plus souvent des oxydes, des nitrures, ou des carbures. Le groupe des céramiques englobe une vaste gamme de matériaux, comme les ciments, les verres, les céramiques respectant les traditions faites d'argile, etc.

La structure cristalline des céramiques est plus complexe que celle des métaux, car au moins deux éléments chimiques différents sont présents. Il existe des céramiques ioniques, composées d'un métal et d'un non-métal (par exemple : NaCl, MgO) et les céramiques covalentes, composées de deux non métaux ou d'éléments purs (diamant, carbure de silicium, etc. ). La structure des joints de grain est aussi plus complexe car des interactions électrostatiques entraînent des contraintes d'équilibre supplémentaires. Les ions de signes contraires ne doivent par conséquent pas se toucher. C'est pourquoi la céramique présente une certaine porosité (environ 20 % en volume).

Les céramiques ont de nombreux avantages :

Par contre, leur principale faiblesse est d'être prédisposées à rompre brutalement, sans déformation plastique en traction (caractère fragile)  ; les porosités «affaiblissent» le matériau en entraînant des concentrations de contrainte à leur voisinage. La fragilité des céramiques rend impossible les méthodes de laminage ou de forgeage utilisées en métallurgie.

Les céramiques techniques

La céramique technique est une branche de la céramique dédiée aux applications industrielles, par opposition aux créations artisanales (poterie) ou artistiques (céramique d'art) ou porcelaine. L'objectif de cette industrie est la création et l'optimisation de céramiques à propriétés physiques spécifiques : mécaniques, électriques, magnétiques, optiques, piézoélectriques, ferroélectriques, supraconductricesetc...

La plupart des céramiques technique sont mises en forme à partir de poudre compactée puis chauffée à haute température (procédé du frittage). On utilise en particulier des poudres de granulométrie particulièrement faible pour diminuer la porosité.

Les verres

Les verres sont principalement des solides obtenus par figeage de liquide surfondu. Les quatre principales méthodes de fabrication du verre sont le pressage, le soufflage, l'étirage et le fibrage.

Les verres sont des silicates non cristallins qui contiennent d'autres oxydes (CaO, par exemple) qui en modifient les propriétés. La transparence du verre est l'une de ses propriétés principales. Ceci est dû à sa structure amorphe ainsi qu'à l'absence de défauts de taille supérieure à la fraction de micromètre. L'indice de réfraction d'un verre est d'environ 1, 5. Pour ce qui est de leurs propriétés mécaniques, les verres sont des matériaux fragiles, mais des traitements thermiques ou chimiques peuvent y remédier.

Semi-conducteurs

Cellule photovoltaïque en silicium

Structure des semi-conducteurs
On applique la théorie des bandes, ce qui amène à considérer une bande de valence entièrement pleine qui est scindée d'une bande de conduction par une bande interdite distance de l'énergie ΔE. Pour qu'un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction, on apporte une énergie thermique ou lumineuse. Dans un semi-conducteur, ΔE est assez faible pour autoriser, à température ambiante, le passage d'un petit nombre d'électrons de la bande de valence vers la bande de conduction.

La conduction électrique
Si nous considérons le modèle quantique des bandes d'énergie, les électrons occupent des niveaux d'énergie. Ces niveaux d'énergie sont discrets dans l'atome et de par les interactions entre atomes dans un cristal, s'étendent à des bandes d'énergie permises scindées par des bandes interdites. Dans les isolants, les bandes d'énergie les plus faibles sont remplies. Du fait d'une grande bande interdite (∼ 5 eV), il n'y a pas de niveaux d'énergie accessibles et par conséquent aucune conduction. Dans les conducteurs, la dernière bande est partiellement occupée, il existe par conséquent énormément de niveaux d'énergie disponibles, d'où une bonne conduction. Dans les semi-conducteurs, la dernière bande se trouve peu ou particulièrement occupée et la bande interdite est faible (∼ 1 eV). Il y aura par conséquent une conduction faible.

Conduction par électron et par trou
Le trou est une lacune qui va être comblée par un électron voisin libéré par l'agitation thermique et qui va à son tour laisser un trou. Aux électrons (masse positive, charge négative) correspondent des trous (masse négative, charge positive). Les trous et les électrons forment les porteurs libres intrinsèques dont le nombre dépend de la température. Pour avoir une neutralité électrique, on impose le même nombre de trous et d'électrons.

Semi-conducteurs dopés
Type N : On introduit dans la matrice du semi-conducteurs des atomes d'impureté. Chacun de ses atomes apporte un électron de valence supplémentaire. Cet électron est peu lié au noyau et passe facilement dans la bande de conduction. La conduction dite de type N est assurée par les électrons. Les électrons sont les porteurs majoritaires. La conductivité extrinsèque devient particulièrement supérieure à celle du matériau pur, à cause du taux de dopage. Les atomes donneurs deviennent des ions positifs après passage des électrons excédentaires dans la bande de conduction.

Type P : On introduit dans le réseau une impureté trivalente telle que le bore, l'aluminium, le gallium ou encore l'indium. Il manque à cette dernière un électron de valence pour assurer les quatre liaisons avec l'atome de silicium voisin. Une faible énergie suffit à ce qu'une impureté capte l'électron d'un silicium voisin. Les atomes trivalents, nommés accepteurs, deviennent ainsi des ions négatifs. Il y a formation d'un trou peu lié et par conséquent mobile. Ces trous, porteurs majoritaires, assurent la conduction des semi-conducteurs dits de type P.

Matériaux composites

Exemple de matériau composite
La fabrication des avions ultralégers, tels le Gossamer Albatross, fait fréquemment appel aux composites[5].

Un matériau composite est un mélange de deux matériaux de base, différents à l'échelle macroscopique, ayant des propriétés physiques et mécaniques différentes. Le mélange est effectué de façon à avoir des propriétés optimales, différentes et généralement supérieures à celles de chacun des constituants. Un composite est constitué au moins d'une matrice (liant) et d'un renfort.
Les constituants choisis (certains sont multi-fonctions) peuvent perfectionner les propriétés suivantes : rigidité, résistance thermo-mécanique, tenue à la fatigue, résistance à la corrosion, étanchéité, tenue aux chocs, au feu, isolations thermique et électrique, allègement des structures, conception de formes complexes.
Rôle (s) joué (s) par chaque constituant :

La mise en œuvre des composites est soit automatisée (moulage sous vide, RTM... ), soit artisanale pour des pièces à hautes performances (moulage au contact... ).
Les matériaux composites à base de fibres et de polymères en forment la classe principale (90 % de la totalité des composites fabriqués aujourd'hui).
Les matériaux composites sont particulièrement utilisés dans les domaines aéronautique, automobile, ferroviaire, etc.

Matrice

Les matrices peuvent être d'origine :

Des charges (minérales, organiques ou métalliques) et additifs sont presque toujours incorporés à la matrice.

Renfort

Les renforts (verre, carbone, fibres aramides, de bore ou métalliques, etc. ) peuvent être sous forme :

Le renfort peut être seul au sein d'une matrice (composite homogène) ou associé à un renfort de nature différente (composite hybride).

Comparaison des grandes classes de matériaux

Le tableau suivant compare les grandes classes de matériaux selon leur origine, leur cristallinité, leur conductivité et leur thermostabilité.

Composition Matériaux naturels Matériaux synthétiques Matériaux amorphes Matériaux cristallins Matériaux isolants Matériaux semi-conducteurs Matériaux conducteurs Matériaux thermolabiles Matériaux thermostables
Organiques Biopolymères Polymères synthétiques Polymères amorphes Polymères semi-cristallins Cas le plus fréquent Polymères semi-conducteurs Polymères conducteurs Cas le plus fréquent Polymères thermostables
Inorganiques non- métalliques Roches Céramiques, verres et semi-conducteurs Verres Céramiques Cas le plus habituel, exemple matériaux réfractaires Semi-conducteurs inorganiques Non Cas le plus fréquent
Inorganiques métalliques Métaux et alliages métalliques natifs Alliages métalliques Alliages métalliques amorphes Cas le plus fréquent Non Non Oui Cas le plus fréquent
Organiques et/ou inorganiques Bois, Os Matériaux composites synthétiques Composites thermostables

Caractérisation des matériaux

Caracterisation science des matériaux.svg

Il est indispensable pour étudier et comprendre un matériau de le caractériser avec techniques de caractérisation appropriées. Soit, destructives, c'est-à-dire qui endommagent le matériau. Soit, non destructives, qui n'endommagent pas le matériau et par conséquent l'objet étudié.
Les principales techniques de caractérisation peuvent ce classé par catégorie :

Les essais mécanique dont l'objectif est de caractériser les comportements mécanique des matériaux tels que le module d'young, la résilience, le cœfficient de Poisson, la limite d'élasticité, la dureté, etc...
Les essais non destructif qui permettent de caractériser l'état d'intégrité de structures ou de matériaux, sans les dégrader. ce qui peut être intéressant dans le cadre d'un contrôle qualité.

Les analyse physico-chimique qui permettre d'avoir par des méthode, tel que la métallographie, La radiocristallographie, Spectrométrie d'étincelageetc..., une analyse de la chimie et de la structure du matériaux. Ce qui est intéressant de corréler avec les propreté mécanique et la résistance a la corrosion.

Ces techniques de caractérisation bénéficient des apports de la science des matériaux et réciproquement aide à son développement.

L'industrie des matériaux

Toutes les industries qui produisent des biens matériels font appel à des matériaux, la science des matériaux y trouve par conséquent naturellement sa place.

Mise en forme des matériaux

Schéma d'une mise en forme par laminage

Les techniques de mise en forme des matériaux ont pour objectif de donner une forme déterminée au matériau tout en lui imposant une certaine microstructure, afin d'obtenir un objet ayant les propriétés souhaitées. C'est un travail qui nécessite de maîtriser au mieux les paramètres expérimentaux (composition, température, vitesse de refroidissement, etc. ). Les techniques changent selon les matériaux et les objets à fabriquer. Toutes ces techniques bénéficient de la compréhension apportée par la science des matériaux.

Applications

Voici quelques applications des grandes classes de matériaux :

Le développement de la protection de l'environnement et du recyclage encourage les entreprises à rechercher de nouveaux matériaux, comme les matériaux biodégradables. L'acide polylactique, extrait de végétaux comme la betterave ou le maïs, en est un bon exemple. Il est aujourd'hui utilisé pour les fils de suture résorbables, pour remplacer les sacs plastiques, ou encore pour les boîtes plastiques.

Aspects économiques

Aspects environnementaux

Certains aspects environnementaux nous amènent à revoir notre façon d'utiliser les matériaux. Le recyclage des matériaux est amené à se développer[6]. A titre d'exemple, dans le domaine de la microélectronique, les fabricants d'écrans plats ont été confrontés à la flambée du cours de l'indium[7] et il devient intéressant de le recycler. Autre exemple, l'épuisement progressif des ressources pétrolières pose problème pour la production future de polymères. Il faut par conséquent chercher des solutions alternatives (bioplastiques).

Mais certains matériaux particulièrement fréquemment utilisés ne sont toujours pas recyclables et forment un vrai problème environnemental. On pense surtout au caoutchouc naturel, à certains élastomères (styrène-butadiène... ) qui sont actuellement les principaux constituants des pneus, ainsi qu'aux polymères thermodurcissables. Il faut par conséquent soit mettre au point de nouveaux procédés de recyclage, soit mettre au point des matériaux alternatifs plus écologiques, tels les élastomères thermoplastiques.

Prix Nobel

Un certain nombre de prix Nobel de physique et chimie sont relatifs à la science des matériaux :

Notes et références

  1. (en) Jonathan Wood, «The top ten advances in materials science», dans Materials Today, vol.  11, 19 décembre 2007, p.  40-45 texte intégral ] 
  2. (en) Les 100 dates principales en science des matériaux
    • À partir de 1842 - L'allemand August Wöhler, qui donne le premier cours de RDM, sert à caractériser cette toute nouvelle «science des matériaux».
  3. Acier : production prévue en hausse de 5, 4 % en 2007
  4. Aluminium : production record en mai
  5. Jean Pierre Mercier, Gérald Zambelli, Wilfried Kurz, Introduction à la science des matériaux, Presses polytechniques et universitaires romandes, 1999 (ISBN 2880744024) , p.  166 [ultraléger Albatros&f=false lire en ligne sur Google livres]
  6. Site officiel d´éco-emballages
  7. Le grand avenir des «petits métaux», prisés par les industries high-tech

Annexes


Liens externes

Bibliographie


Recherche sur Amazone (livres) :



Principaux mots-clés de cette page : matériaux - polymères - céramiques - propriétés - conducteurs - bandes - composites - électrons - science - métaux - semi - verres - métalliques - mécanique - forme - conduction - techniques - énergies - matériau - conséquent - atomes - physiques - fibres - faibles - mise - structure - acier - trou - cours - grandes -


Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Science_des_mat%C3%A9riaux.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 30/11/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu