Sigle UE Sigle module Intitulé module Coef. Coef UE ECTS UE

Transcription

1 Sigle UE Sigle module Intitulé module Coef. Coef UE ECTS UE U1-S7-MAT MAT 1-S7 Matériaux 1: métaux et alliages MAT 2-S7 Matériaux 2: polymères et matériaux appliqués 5 U2-S7-MAT MC-1-S7 Matière Condensée 1 5 MQ-S7 Mécanique quantique - Spectroscopie RMN U3-S7-MAT CRIST-S7 Cristallographie 5 RDM-SIM-S7 Résistance des matériaux - Simulation numérique 5 7 7

2 Sigle-Semestre : MAT1-S7 CM : 22H, TD : 10H, TP : 14H Objectifs : L'objectif de ce module est d apporter des connaissances approfondies sur les propriétés physiques, chimiques et microstructurales des matériaux métalliques et d aborder les relations propriétés-microstructures incluant les aspects thermo- mécaniques et opératoires par l illustration d exemples industriels. Pré -requis : Notions générales de chimie minérale (classification périodique, mode de liaison et structure simples des composés contenant des éléments de transition, réactions redox), cristallographie, diagramme de phases, thermodynamique acquises au niveau Matériaux 1 ère année. CRIST1-S5 MOD-AT-MINE-S5 CRIST2-S6 THERMO-PHYSTAT-S6 CIN-ELCH-S6 Evaluation : Compte-rendu TP contrôle continu Devoir à rendre Exposé oral Contenu détaillé : La première partie de ce module comprend une description détaillée des propriétés élémentaires (électroniques, structurales, physiques) des métaux ainsi que celles des alliages usuels. Les notions essentielles de structure, diffusion à l état solide et les diagrammes de phases sont abordées au travers d exemples caractéristiques, présentant les arrangements cristallins, mécanismes de substitution, transformations de phase, défauts et déformations, ainsi que les outils et techniques nécessaires aux études. La seconde partie du cours est constituée d une introduction à la métallurgie générale. Elle aborde quatre aspects majeurs que sont la solidification, les transformations de phases, les propriétés mécaniques et les traitements thermiques. L évolution du comportement des caractéristiques mécaniques après traitements thermiques, qui permettent de définir les qualités attendues des métaux et alliages pour une utilisation, est expliquée pour deux grandes classes d alliages, les alliages ferreux et les alliages base-aluminium. Le cours et les TD sont dispensés en anglais, les TPs en français. Cours-TD (Métaux et alliages) : o PARTIE I, Chapitre I: métaux, alliages, métallographie et structure. I.1. Introduction, définitions et classifications. I.2. Structure des métaux et microstructure des alliages. I.3. Déformation I.4. Diffusion Chapitre II. Les diagrammes de phase.

3 II.1 Règles de Gibbs et description des diagrammes de phase ternaire. II.2. Solidification II.3. Description des ségrégations. o PARTIE II, Chapitre III. Alliages ferreux III.1. Propriétés du fer III.2. Les diagrammes de phase binaire Fe-C III.3.Transformations de phase et microstructures des aciers binaires. Chapitre IV. Traitements thermiques des alliages ferreux. IV.1.Recuits et traitements thermiques IV.2 Les transformations avec diffusion IV.3. Les transformations sans diffusion Chapitre V. microstructures des alliages (les alliages base Al) V.1. Notions de métallurgie physique dans l'interprétation de la microstructure V.2. Mécanismes des transformations. V.3. Alliages base Al et matériaux composites à base d Al (renfort pour automobile et aérospatial). TP : 3 séances de TP enseignées en français (14h) Les travaux pratiques portent sur la préparation et la caractérisation physico-chimique de matériaux d'intérêt technologique. L'étudiant a à sa disposition la littérature ad hoc ainsi qu'un bref descriptif des manipulations à réaliser. Cette forme originale laisse à l'étudiant beaucoup d'autonomie et sollicite son esprit critique, sa curiosité et ses capacités d'organisation. Les voies de synthèses de la chimie du solide mises en oeuvre dans cette UE sont plus particulièrement la synthèse solide-solide et le dépôt en couches sur électrode. Les matériaux préparés sont une cellule photo-électrochimique, un supraconducteur, un matériau ferrofluide et un cœur battant de mercure. Les composés sont analysés par les méthodes traditionnelles de chimie : diffraction des RX, dosage chimique. Des mesures magnétiques, de conduction et de lévitation sont réalisées. Compétences : Ce cours fournit les bases pour une bonne compréhension du comportement des métaux et alliages par une approche descriptive des phénomènes de métallurgie-physique. L étudiant(e) acquiert à l issue de ce cours un bagage utile de connaissances en sciences des matériaux, faisant le lien entre microstructure et propriétés et une vision équilibrée du comportement des matériaux métalliques. Il (elle) pourra approfondir ces compétences par la lecture d ouvrages spécialisés sur les alliages et matériaux composites à base de métaux ainsi qu aborder sereinement les problématiques industriels et technologiques associées à un stage d élève-ingénieur dans ce domaine. Bibliographie : Aide-mémoire Métallurgie, Métaux - Alliages Propriétés, Auteur : Guy MURRY, Editeur : DUNOD, Collection : L'usine nouvelle, Année : 02/2010 (2ème édition), Nombre de pages : 329, ISBN 10 : , ISBN 13 : Précis de métallurgie, Édition mise à jour, "Élaboration, structures-propriétés, normalisation", Auteur : J.BARRALIS G.MAEDER, Editeur : NATHAN / AFNOR, Collection : Précis, Année : 03/2010, Nombre de pages : 231, ISBN 10 : , ISBN 13 : "Métallurgie: du minerai au matériau", Jean Philibert, Alain Vignes, Yves Bréchet, Collection: Sciences Sup, Dunod ème édition pages, EAN13 :

4 "Métallurgie (La) - Science et ingénierie", sous la direction de André Pineau et Yves Quéré, Editeur : EDP Sciences, Collection : Académie des sciences, Date de Parution : 01/2011, ISBN : , Broché : 180 pages.

5 Sigle-Semestre : POLM-S7 Objectifs : L'objectif de ce module est de donner à l étudiant les outils nécessaires à la compréhension des propriétés des polymères et l importance des matières plastiques dans divers secteurs industriels. La première partie de ce module comprend une description détaillée des matériaux polymères. La deuxième partie traitée sous forme de TP illustre différentes applications des matériaux. Pré -requis : Notions de chimie organique acquises au niveau Matériaux 1 ère année. Concepts physiques acquis au niveau Matériaux 1 ère année. MOD-ORGA-S5 RDM-SIMU-S5 Evaluation : Comptes-rendus TP ( à chaque séance) Contrôle continu pour le cours-td Contenu détaillé : 30h (CM : 9h, TD : 5h, TP : 16h). Cours-TD : Le cours est structuré comme suit : Polymères (intérêt, Structure moléculaire, classification, statistique): thermoplastiques, élastomères, thermodurcissables. Cinétique de polymérisation : - polymérisation en chaîne (radicalaire, ionique)- polymère de condensation Les polymères de base et leur mise en œuvre (Principales familles de polymères commerciaux) : - Polymères thermoplastiques [d'addition (PE, PP, PS, PVC, PMMA, PAN) -de condensation (Polyesters, polyamides, PUR, silicones] - Polymères thermodurcissables [résines (polyesters, époxydes)]. Propriétés mécaniques en relation avec la structure: viscoélasticité, propriétés en fonction de la température, cohésion des polymères, autres facteurs influençant les propriétés (multiplicité des structures et des organisations induit une variété de propriétés) températures de transition et états physiques, cristallinité et morphologie. Vieillissement et dégradation des matériaux polymères (physique, chimique) ; Méthodes d'analyse des polymères et des matériaux à base de polymères ; Composites à matrice organique.

6 TP Polymères (16h): o Réaction de polymérisation par addition (radicalaire et cationique) du styrène. o Réaction de polymérisation par condensation, préparation d'un polyamide : le Nylon 6-6 o Recyclage d'un polymère (nylon) et dépolymérisation du PMMA o Préparation d'un composite o Caractérisation des polymères synthétisés en TP ou bien commerciaux: détermination de la masse moléculaire par viscosimétrie et CCM, études ATD, IR, RMN, tests de solubilité, essais à la flamme. TP Matériaux appliqués (14h): Les travaux pratiques portent sur la préparation et la caractérisation physico-chimique de matériaux d'intérêt technologique. L'étudiant a à sa disposition la littérature ad hoc ainsi qu'un bref descriptif des manipulations à réaliser. Cette forme originale laisse à l'étudiant beaucoup d'autonomie et sollicite son esprit critique, sa curiosité et ses capacités d'organisation. Les voies de synthèses de la chimie du solide mises en œuvre dans cette UE sont la voie solide et la cristallisation. Les matériaux préparés sont un gemme, des matériaux luminescents, thermo- et photochromes, des biomatériaux. Les composés sont analysés par les méthodes traditionnelles de chimie : diffraction des RX, analyse thermogravimétrique, dosage chimique, spectroscopie d'absorption atomique, UV-visible et IR. Compétences : Les étudiants auront une bonne connaissance des principes fondamentaux de la chimie et physico-chimie des polymères. Bibliographie : Chimie et physico-chimie des polymères par Michel Fontanille et Yves Gnanou Collection: Sciences Sup, Dunod ème édition pages - EAN13 : Des matériaux par Jean Marie Dorlot, Jean-Paul Baïlon et Jacques Masounave Editions de l'ecole Polytechnique de Montréal 2ème édition. ISBN

7 Sigle-Semestre : MatCOND1-S7 Objectifs : Ce module est une introduction à l'étude des propriétés électroniques des solides cristallins et plus particulièrement à la notion de structure de bandes qui permet d'appréhender la différence entre un isolant et un métal. Ce module comprend un cours, des TD ainsi que deux TP respectivement consacrés à l'étude des propriétés optiques d'un semi-conducteur et à l'étude de la transition paraélectrique-ferroélectrique dans le TGS. Pré -requis : Notions de physique acquises en ESIR 1, en particulier mécanique quantique et physique statistique MQ-STAT-S5 THERMo-PHYSTAT-S6 Evaluation : Contrôle continu Compte-rendu de TP Contenu détaillé : Cours-TD : 18h CM, 8h TD o Structures périodiques, notion de réseau réciproque, diffraction ; o Théorème de Bloch, dynamique des électrons de Bloch, o électrons libres ou presque libres, modèle de liaisons fortes, o distinction entre un métal et un isolant, o chaleur spécifique électronique, o conductivité, o systèmes de type Peierls. o Semi-conducteurs à l'équilibre, notion de dopage. TP : 2 x 8h TP o Absorption et propriétés optiques d'un semi-conducteur Le réglage du banc de mesure d'absorption permet aux étudiants d'aborder les points expérimentaux suivants: - Linéarité et résolution en longueur d'onde d'un monochromateur (utilisation de lampe à mercure, variation de la fente d'entrée du monochromateur), résolution-convolution avec un modèle à deux gaussiennes, profil de raie... - Linéarité et dynamique de la chaine de mesure (filtres de densité) - Choix d'une chaine de mesure source-monochromateur-photomultiplicateur adapté aux absorptions attendues.

8 La mesure de l'absorption de filtres de couleurs en fonction de la longueur d'onde permet d'illustrer la multiplication des transmissions et l'additivité des absorptions, les notions de couleurs, filtres passe-haut ou bas... Enfin, une étude de la transmission d'un semi-conducteur en fonction de la longueur d'onde à température ambiante et à la température de l'azote liquide permettent d'illustrer la notion de gap électronique d'un SC, de sa variation avec la température, de la notion de semi-conducteur à gap direct ou indirect. Une comparaison avec la forme théorique attendue du coefficient d'absorption linéique en fonction de l'énergie des photons est effectuée. o Transition de phase paraélectrique-ferroélectrique dans le TGS La constante diélectrique et la polarisation spontanée d'un cristal de TGS sont mesurées en fonction de la température par des méthodes capacitives. Les problématiques expérimentales suivantes sont abordées - Régulation de température - Utilisation d'une détection synchrone ("lock-in") - Pont de mesure et estimation des valeurs des composants pour réaliser la mesure - Hystérésis Les comportements observés sont reliés aux prédictions d'un modèle de type Landau pour la transition de phase. Compétences : Nature des fonctions d'onde électroniques dans un solide étendu et utilisation du théorème de Bloch Conditions aux limites périodiques de type Born Von Karmann Applications et limites du modèle des électrons libres Calcul d'une structure de bandes dans un modèle de liaisons fortes et tracé des courbes de dispersion dans l'espace réciproque : Applications à la structure de bandes des systèmes quasi 1D et du graphène (système 2D) Calcul d'une densité d'états à partir des énergies des électrons de Bloch Techniques expérimentales permettant de mesurer une structure de bandes (ARPES) Notion de vitesse de groupe d'un électron de Bloch et calcul de la conductivité électronique des métaux dans une approche de type Boltzmann : ordres de grandeur de la résistivité des métaux et influence de la température Différences entre les propriétés d'un métal et d'un isolant Notion d'électron et de trou pour un semi-conducteur Etats introduits par dopage dans la bande interdite d'un semi-conducteur Bibliographie : Physique de l'état solide (C. Kittel, Dunod université) Physique des solides (N. Ashcroft et N. Mermin, EDP Sciences) Atomic and Electronic structure of solids (E. Kaxiras, Cambridge university).

9 Sigle-Semestre : MQ-Spec-S7 19h CM, 9h TD, 16h TP Objectifs : L'objectif de ce module est d apporter les concepts quantiques nécessaires à la compréhension des propriétés de la matière et des interactions champs, ondes, particulematière. A partir des notions de mécanique quantique enseignées l année précédente en 1 ère année, l étudiant est progressivement initié aux principes et au formalisme de la théorie, et se trouve en situation de traiter des problèmes relevant de la physique atomique, de la physique de la matière condensée (structure électronique, magnétisme, propriétés vibrationnelles des solides, physique des semi-conducteurs). La mécanique quantique est par ailleurs un outil indispensable pour mettre en œuvre et exploiter pleinement les techniques spectroscopique. Parmi celles-ci, la Résonance Magnétique Nucléaire joue un rôle grandissant en sciences des matériaux. L objectif de ce cours d introduction est de montrer tout le potentiel de la RMN solide dans l étude des propriétés des matériaux. Nous montrerons qu il s agit aussi d un bel exemple d application des principes de la mécanique quantique. Ce module d enseignement est composé de deux parties portant sur la mécanique quantique et la spectroscopie RMN. Il comporte deux TP respectivement consacrés au traitement du signal et à la RMN. Pré -requis : Notions de physique, en particulier mécanique quantique MQ-STAT-S5 Evaluation : Contrôles continus Comptes-rendus de TP Contenu détaillé : Cours-TD (Mécanique quantique 11h CM, 5h TD) : o Introduction au spin o Théorie des perturbations stationnaires : application au calcul de la polarisabilité électronique d'un atome o Théorie des perturbations dépendantes du temps : application à la résonance magnétique nucléaire o Composition de deux moments cinétiques : couplage de deux spins ½, couplage de type spin-orbite Cours-TD (Spectroscopie RMN 8h CM, 4h TD) : Les techniques d analyses structurales sont de plus en plus nombreuses et sophistiquées. Parmi elles, la résonance magnétique nucléaire connaît un développement important,

10 notamment en sciences des matériaux : verres, céramiques, vitro-céramiques, matériaux fonctionnels. Alors que les spectromètres RMN liquides sont largement présents dans l industrie (chimique, pharmaceutique), ceux dédiés à l étude des solides évoluent également de l outil de recherche à celui de routine et sont maintenant omniprésent dans les l industrie et les laboratoires. Il est donc incontournable de bien maîtriser cette technique qui, au delà de ses nombreux domaines d application, présente l avantage d être très complémentaire des outils, plus classiques, basés sur la diffraction des rayonnements (RX, neutrons, électrons ). Bien comprendre les concepts de base de la RMN permet, de plus, de mieux appréhender d autres techniques spectroscopiques, faisant elles aussi appel aux principes de la mécanique quantique (RPE, Mössbauer, Raman ). Le plan du cours est le suivant : o 1- Description classique du phénomène de résonance magnétique. o 2- Description quantique o 3- Les interactions dans les matériaux solides o 4- Les techniques de «hautes résolutions» o 5- Un outil au service des matériaux TP ( 2 x 8h): o Traitement du signal Décomposition en série de Fourier de quelques signaux usuels (Carré, Triangle,...). Applications en physique de la transformée de Fourrier. Spectre de puissance. Etude à partir de signaux numériques. Analyse spectrale de signaux sonores. Etude de différents bruits en 1/f α, bruit brownien, bruit blanc. Analyse d images, transformé de fourrier d une image, analogie avec la diffraction. Etude de la transition ordre-désordre dans un milieu granulaire. Traitement d image, filtrage o Spectroscopie RMN Les concepts vus en cours de spectroscopie seront illustrés par une introduction à la pratique de la mesure RMN sur un spectromètre haute résolution 300 MHz. Les interactions principales (déplacement chimique, interaction quadrupolaire) et leurs manifestation dans les spectres RMN de noyaux simples (hydrogène, carbone) seront présentés. L application à des échantillons liquides et solides de molécules simples permettra d aborder l interprétation des spectres obtenus à l aide de séquences de mesure standard (pulse unique, écho, polarisation croisée, rotation à l angle magique). La manifestation d effets liés à la dynamique moléculaire dans un solide sera illustrée. Compétences : Compréhension et utilisation du formalisme de la mécanique quantique Application de la théorie des perturbations à différents problèmes relevant de la physique atomique et de la physique de la matière condensée

11 Couplage de deux moments cinétiques et ses applications dans le domaine du magnétisme à l issue de ce module, les étudiants connaissent les principes généraux de la RMN et l étendue de ses possibilités en sciences des matériaux. Par ailleurs, il s agit pour eux d un très bel exemple d application des principes de la mécanique quantique qui les aidera à s imprégner de ses concepts indispensables pour comprendre les matériaux fonctionnels. Bibliographie : Mécanique Quantique, J.L. Basdevant et J. Dalibard (Ecole polytechnique) Mécanique Quantique. Atomes et molécules. Applications technologiques, J. Hladik, M. Chrysos et P.E. Hladik (Dunod) Introduction to solid state NMR, Melinda J Duer, John Wiley & Sons, 2004 Solid state NMR in materials science. Principle and Applications, Alexander Shekhtman, 2012

12 Sigle-Semestre : CRIST-S7 40H 20h CM, 12h TD, 8h TP Objectifs : L'objectif de ce cours est de permettre aux étudiants d'aborder la détermination des structures cristallines à l aide principalement de la diffraction des rayons X par des échantillons mono- ou polycristallins. Ce module d enseignement vise à présenter les méthodes de détermination de structures cristallines à partir de la diffraction des rayons X. La théorie et les méthodes sont présentées (méthodes dans l espace réciproque et dans l espace direct ; méthodes pour la diffraction par le monocristal et les échantillons polycristallins). L exploitation concrète des données de diffraction acquises en vue de la détermination d un modèle structural et de son affinement est réalisée pour des exemples choisis parmi les matériaux solides. Pré -requis : Notions de symétrie ponctuelle et de théorie des groupes. Bonnes connaissances de cristallographie (loi de Bragg, sphère d Ewald, réseaux, groupes d espaces) et de diffraction des rayons X (loi de la diffraction) acquises en 1 ère année. Notions de mathématiques requises : transformées de Fourier, intégrales, affinements par moindres carrés. CRIST1-S5 MATHS-VIB-S5 CRIST2-S6 Evaluation : Compte-rendu TP Contrôles continus Contenu détaillé : Cours-TD : o Rappels : interaction rayonnement-matière ; sphère d Ewald ; intensité diffractée (longueur de diffusion, facteur de structure, facteur de Debye-Waller, diffusion anomale) ; loi de Friedel ; diffractomètres pour monocristaux et poudres ; o Principe de la détermination des structures cristallines. Problème de la phase ; o Méthode de Patterson ; o Les méthodes directes ; o Les méthodes dans l espace direct (Monte Carlo/recuit simulé, algorithme génétique) ; o La méthode de l inversion de charge ; o Détermination de la conformation absolue d une structure ; o Synthèses de Fourier ;

13 o Affinement du modèle structural: cas général; exploitation des données structurales: calcul des erreurs, distances inter-atomiques, angles de liaisons,.. ; o Affinement du modèle structural: cas de la diffraction par les solides polycristallins. o Diffusion totale : analyse de la structure locale par la méthode de la fonction de distribution de paires (PDF). TP : 4 séances de 2 heures o Détermination et affinement de structures cristallines à partir des données de diffraction des rayons X par un monocristal ou une poudre. Les logiciels utilisés sont libres de droit pour la communauté académique. Compétences : A l issue de cette unité d enseignement l élève ingénieur connaîtra les différentes méthodes de détermination d une structure cristalline et saura choisir la méthode adaptée au type de matériau à étudier. L élève ingénieur saura déterminer une structure cristalline, affiner le modèle trouvé et l interpréter, que ce soit à partir des données de diffraction par un monocristal ou une poudre cet état étant souvent celui des matériaux dans l industrie. Bibliographie : «Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale», M. Van Meerssche et J. Feneau-Dupont, ed. Peeters «Cristallographie», D. Schwarzenbach, ed. Presses polytechniques et universitaires romandes «DIFFRACTION DES RAYONNEMENTS : INTRODUCTION AUX CONCEPTS ET METHODES», J. Protas, ed. Dunod «Cristallographie géométrique et radiocristallographie», J.J. Rousseau, ed. Masson.

14 Sigle-Semestre : RDM-SIMU-S7 26h CM, 8h TD, 12h PM Objectifs : Cette UE cherche à insérer les connaissances de Résistance des Matériaux acquises en 1 ère année dans un contexte plus large. D'un côté, on étudie les liens entre la nature des matériaux est leur comportement mécanique. De l'autre côté, on examine les fondements physiques et mathématiques de la mécanique des milieux continus. Les TPs visent à initier les étudiants aux logiciels d'éléments finis, et à appliquer concrètement les concepts discutés dans les CMs. Ce cours est composé de deux parties. Les concepts sont d'abord présentés en cours, agrémentés par les travaux dirigés. La note de cette partie provient des contrôles continus. La deuxième se fait en salle informatique avec un logiciel d'éléments finis. La note provient d'un projet. Pré -requis : Cours de résistance des matériaux de la 1 ère année, calcul matriciel et vectoriel, équations aux dérivées partielles, mécanique du point. RDM-SIMU-S5 Maths-VIB-S5 Evaluation : 1 compte-rendu projet Contrôles continus Contenu détaillé : Cours-TD : o Rappel de l'élasticité linéaire: module de Young, module de cisaillement, coefficient de Poisson, limite d'élasticité. o Origine microscopique du comportement élastique (chaine harmonique). o Propriétés des scalaires, vecteurs et tenseurs sous une rotation. o Tenseurs de déformation et de contrainte. o Tenseur des modules élastiques. Relation entre les symétries du matériau et les symétries du tenseur des modules d'élasticité. Plasticité (Mohr-Coulomb). TP : o L'initiation à la méthode des éléments finis. o Utilisation d'un logiciel des éléments finis : imposition et mesure des contraintes et des déformations. o Étude numérique du comportement élastique d'un matériau hétérogène.. Compétences : Caractérisations mécaniques des matériaux, relation nature des matériauxpropriétés. Initiation à la méthode des éléments finis

15 Bibliographie : Mécanique des milieux continus, Georges DUVAUT, (Dunod) Comprendre simplement la résistance des matériaux, Rémy MOUTERDE et François FLEURY, (editions Le Moniteur) surtout chapitre 3 Mécanique des Matériaux Solides, Jean LEMAITRE, et al. (Dunod) Résistance Mécanique des Solides Jean LEMAITRE, et al. (Dunod)