Science des matériaux - Définition et Explications

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Introduction

Principe

La science des matériaux repose sur la relation entre les propriétés, la morphologie structurale et la mise en œuvre des matériaux qui constituent les objets qui nous entourent (métaux, polymères, semiconducteurs, céramiques, composites, etc.).
Elle est au cœur de beaucoup des grandes révolutions techniques. Particulièrement depuis un siècle : électronique (ordinateurs, lecteurs de CD et DVD (Le DVD officiellement Digital Versatile Disc - même si d'autres dénominations sont...), etc.), automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) (moteurs, carrosserie (La carrosserie est l'enveloppe rigide d'une machine, destinée à protéger les organes situé à...), phares, etc.), aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de...), énergies renouvelables (panneaux solaires...), nanosciences, nanotechnologies, etc.

La connaissance et la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) des phénomènes microscopiques (diffusion, arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les...) des atomes, recristallisation, apparition de phases, etc.) confèrent aux scientifiques et aux industriels la possibilité d'élaborer des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) aux propriétés et aux performances voulues.

La conception d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) parfait est actuellement physiquement impossible, mais ce sont souvent ses défauts structurels qui rendent intéressant un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...). On utilise donc 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.

Les grandes classes de matériaux

Métaux

Microstructure d'un acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) au carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) 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 aussi bien de manière physico-chimique que de manière électronique (cf. section caractérisation). Les métaux se caractérisent par plusieurs particularités physiques. Ils sont de bons conducteurs électriques, cette caractéristique se mesure soit grâce à la conductivité soit grâce à son inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...), la résistivité (La résistivité d'un matériau, généralement symbolisée par la lettre...). Ils sont aussi de bons conducteurs thermiques et possèdent un éclat lumineux. Du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...), ils se caractérisent par des propriétés telles que leur module d'élasticité (généralement élevé, de l'ordre de plusieurs GPa), leur dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et...), leur ductilité (La ductilité désigne la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La...), etc.

Sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), on ne trouve quasiment 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 (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) et de l'aluminium) ou sous forme d'alliages. L'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) est le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) le plus abondant dans la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre....). Il faut également noter l'importance du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...), qui est très souvent 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 (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent...) de tonnes soit une augmentation de 5,4 % par rapport à 2006. Ce secteur est actuellement 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 % par rapport à 2006.

Polymères

Fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) de polyester observées au MEB

Un polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...) est une macromolécule (Une macromolécule est une très grande molécule. La notion de macromolécule a...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...) (ou parfois minérale) constituée d'un enchaînement répétitif d'un (ou plus) type(s) de monomère. Les monomères sont reliés entre eux par des liaisons covalentes. Les chaine de polymère interagisse entre elle avec de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) plus faible comme les liaison de van der Waals. Les propriétés des polymères dépendent notamment du type de monomère(s), de la nature de leur assemblage et du degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) de polymérisation.

On distingue les polymères naturels, les modifiés (polymères artificiels) et les synthétiques. On peut aussi les classer selon leur architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.). On distingue 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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...).

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

  • les homopolymères, qui sont fabriqués avec le même monomère ;
  • les copolymères, qui sont fabriqués avec des monomères différents.

Un autre type de classification des polymères (Les liaisons covalentes constituant le squelette macromoléculaire peuvent être des...) est aussi selon leurs propriétés thermomécaniques. On distingue :

  • les polymères thermoplastiques, qui deviennent malléables quand ils sont chauffés, ce qui permet leur mise en œuvre ;
  • les polymères thermodurcissables, qui durcissent à chaud et/ou par ajout d'un durcisseur en faible proportion. Ce durcissement est en général irréversible ;
  • les élastomères, qui présentent en général un allongement réversible très important et une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de transition vitreuse inférieure à l'ambiante.

On peut classer les polymères en deux types, en fonction de leur comportement à la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) et sous pression :

  • portés à une température suffisante, les polymères thermoplastiques se trouvent à l'état « fondu » (état fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) ou déformable) et sont donc susceptibles de s'écouler sous l'action d'une contrainte. Cela permet leur mise en forme par les techniques d'extrusion, d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :), de thermoformage, etc. C'est le cas des polyoléfines (PE, PP, PMP (Project Management Professional ou PMP est une certification en gestion de projets, dont le...), etc.), du PVC, du polystyrène, etc. ;
  • les polymères thermodurcissables durcissent par réaction chimique. On peut citer les résines phénoplastes, polyépoxydes, certains polyuréthanes.

Du fait de leurs propriétés intéressantes, les polymères ont peu à peu envahi les industries et la vie (La vie est le nom donné :) quotidienne en remplaçant les matériaux traditionnels.

Céramiques

Pièces de roulements, céramiques Si3N4

Celles-ci sont composées d'éléments métalliques et non métalliques. Elles sont généralement des oxydes, des nitrures, ou des carbures. Le groupe des céramiques englobe une vaste gamme de matériaux, comme les ciments, les verres, les céramiques traditionnelles faites d'argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de...), 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 (Les non-métaux forment une série chimique du tableau périodique qui regroupe les...) (par exemple: NaCl, MgO) et les céramiques covalentes, composées de deux non métaux ou d'éléments purs (diamant, carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une...), etc.). La structure des joints de grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève...) est également plus complexe car des interactions électrostatiques entraînent des contraintes d'équilibre supplémentaires. Les ions de signes contraires ne doivent donc pas se toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal,...). C'est pourquoi la céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre),...) présente une certaine porosité (environ 20 % en volume).

Les céramiques ont de nombreux avantages :

  • propriétés mécaniques : elles présentent, comme les métaux, un module de Young bien défini, c'est-à-dire que le module reste constant pendant l'application d'une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) (contrairement au polymère dont l'élasticité n'est pas linéaire). De plus, elles ont la plus grande dureté de tous les matériaux, et sont d'ailleurs utilisées comme abrasifs pour couper (ou polir) les autres matériaux ;
  • résistance aux chocs thermiques en raison d'un faible coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) de dilatation ;
  • bonne résistance chimique ;
  • résistance à la corrosion ;
  • isolations thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) et électrique.

Par contre, leur principale faiblesse est d'être prédisposées à rompre brutalement, sans déformation plastique (La déformation plastique est la déformation irréversible d'une pièce ; elle se produit par...) en traction (caractère fragile) ; les porosités « affaiblissent » le matériau en entraînant des concentrations de contrainte à leur voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...). La fragilité (La fragilité est l'état d'une substance qui se fracture lorsqu'on lui impose des...) des céramiques rend impossible les méthodes de laminage ou de forgeage utilisées en métallurgie (La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs...).

Les céramiques techniques

La céramique technique (La céramique technique est une branche de la céramique dédiée aux applications...) 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 (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...) compactée puis chauffée à haute température (procédé du frittage). On utilise surtout des poudres de granulométrie très faible afin de réduire la porosité.

Les verres

Les verres sont essentiellement des solides obtenus par figeage de liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) surfondu. Les quatre principales méthodes de fabrication du verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) 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 (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la...) du verre est l'une de ses propriétés les plus importantes. Ceci est dû à sa structure amorphe et à l'absence de défauts de taille supérieure à la fraction de micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.). L'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de...) 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 (Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la...) en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...)

Structure des semi-conducteurs
On applique la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) des bandes, ce qui amène à considérer une bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons...) entièrement pleine qui est séparée d'une bande de conduction par une bande interdite distance de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) ΔE. Pour qu'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) passe de la bande de valence à la bande de conduction, on apporte une énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) ou lumineuse. Dans un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...), ΔE est assez faible pour autoriser, à température ambiante, le passage d'un petit nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « 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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) et de par les interactions entre atomes dans un cristal, s'étendent à des bandes d'énergie permises séparées 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 donc aucune conduction. Dans les conducteurs, la dernière bande est partiellement occupée, il existe donc beaucoup de niveaux d'énergie disponibles, d'où une bonne conduction. Dans les semi-conducteurs, la dernière bande se trouve peu ou très occupée et la bande interdite est faible (~ 1 eV). Il y aura donc 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 (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs...) 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 constituent les porteurs libres intrinsèques dont le nombre est fonction 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 aisément 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 très 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 (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.), l'aluminium, le gallium (Le gallium est un élément chimique, de symbole Ga et de numéro atomique 31. Sa...) ou encore l'indium (L'indium est un élément chimique, de symbole In et de numéro atomique 49. C'est un...). Il manque à cette dernière un électron de valence pour assurer les quatre liaisons avec l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) de silicium voisin. Une faible énergie suffit à ce qu'une impureté capte l'électron d'un silicium voisin. Les atomes trivalents, appelés accepteurs, deviennent ainsi des ions négatifs. Il y a formation d'un trou peu lié et donc mobile. Ces trous, porteurs majoritaires, assurent la conduction des semi-conducteurs dits de type P.

Matériaux composites

Exemple de matériau composite (Le matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles (mais ayant une...)
La fabrication des avions ultralégers, tels le Gossamer Albatross (Le Gossamer Albatross est l'un des deux seuls engins volants mûs par la force musculaire à avoir...), fait souvent appel aux composites.

Un matériau composite est un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) de deux matériaux de base, distincts à l'échelle macroscopique, ayant des propriétés physiques et mécaniques différentes. Le mélange est effectué de manière à avoir des propriétés optimales, différentes et en général supérieures à celles de chacun des constituants. Un composite est constitué au moins d'une matrice (liant) et d'un renfort.
Les constituants sélectionnés (certains sont multi-fonctions) peuvent améliorer les propriétés suivantes : rigidité, résistance thermo-mécanique, tenue à la fatigue, résistance à la corrosion, étanchéité (L'étanchéité est le résultat de l'interdiction d'un passage. Ce terme général peut être...), tenue aux chocs, au feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation...), isolations thermique et électrique, allègement des structures, conception de formes complexes.
Rôle(s) joué(s) par chaque constituant :

  • la matrice est un liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre....), protège les fibres et transmet également les sollicitations aux fibres ;
  • les fibres apportent la tenue mécanique et supportent les sollicitations ;
  • les charges et additifs améliorent les caractéristiques du matériau. Les charges abaissent souvent le coût de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) (effet de dilution). Exemples d'additifs : ignifugeants, anti-UV, fongicides, antioxydants.

La mise en œuvre des composites est soit automatisée (moulage sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), RTM (RTM est un sigle qui peut désigner :)...), soit artisanale pour des pièces à hautes performances (moulage au contact...).
Les matériaux composites à base de fibres et de polymères en constituent la classe la plus importante (90 % de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des composites fabriqués actuellement).
Les matériaux composites sont très utilisés dans les domaines aéronautique, automobile, ferroviaire, etc.

Matrice

Les matrices peuvent être d'origine :

  • Organique : polymères thermoplastiques ou thermodurcissables (polyesters, polyépoxydes, phénoliques, polyimides, silicones, etc.) ;
  • Minérale : carbone, céramique, béton ;
  • Métallique : Al, Mg.

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 :

  • de fibres (courtes, longues ou continues), de mat ou de tissu ; les fibres longues (cas de certaines fibres de verre) peuvent être orientées dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) des sollicitations ;
  • de charges renforçantes : gravier (additionné au ciment (Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière...) pour fabriquer le béton), sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites...), billes de verre, etc. ;
  • d'acier (cas du béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de...) armé).

Le renfort peut être seul au sein d'une matrice (composite homogène) ou associé à un renfort de nature différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) (composite hybride).

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