Les Matériaux UMR CNRS 7315

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Marie-Laure Perras
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1 Les Matériaux UMR CNRS 7315

2 Extraits du nouveau programme de Terminale S 1

3 Extraits du nouveau programme de Terminale S 2

4 Plan 1. Généralités sur les matériaux 2. Les céramiques et les verres 3. Matériaux biocompatibles : le cas des céramiques 4. Les composites : vers de nouveaux matériaux hautes performances 3

5 Plan 1. Généralités sur les matériaux 2. Les céramiques et les verres 3. Matériaux biocompatibles : le cas des céramiques 4. Les composites : vers de nouveaux matériaux hautes performances 4

6 Qu'est-ce qu'un matériau? Définition (Larousse) : substance quelconque utilisée pour la construction des objets, machines, bâtiments etc. Procédés d'élaboration Microstructure Matériau Propriétés Performances 5

7 Propriétés recherchées des matériaux Physiques masse spécifique, conductibilité électrique, thermique, ionique, énergie de surface, chaleurs latentes de transformation, coefficients de dilatation thermique, indice de réfraction, etc. Chimiques résistance à l'oxydation, à la corrosion, stabilité, réactivité, diagrammes d'équilibre, etc. Mécaniques élasticité, plasticité, résistance à la rupture, ténacité, dureté, résistance à l'usure, tenue à la fatigue, au fluage etc. 6

8 Performances recherchées des matériaux Reproductibilité, fiabilité, durabilité, efficacité, coût, absence de nocivité, capacité de recyclage etc. Cf. Notion de cycle de vie 7

9 Les grandes familles de matériaux Plasticité (ductilité), résistance mécanique et ténacité, conductivité électrique, thermique Métaux Alliages métalliques Fe, Al, Cu, aciers etc. Inorganiques Organiques Rigidité, dureté, résistance mécanique, faible ténacité (fragilité), résistance chimique, thermique Céramiques (Al 2 O 3, Si 3 N 4, SiC, etc.) Verres Polymères (Thermoplastiques, Élastomères etc. ) Facilité de mise en forme, élasticité (souplesse) 8

10 Propriétés mécaniques des matériaux Elastique et rigide : Céramiques Contrainte Plastique (Ductile) et tenace : Métaux (Fer) Alliages métalliques Ductile malléable : Métaux (Cuivre) Polymères Os minéral : souple et endommageable Déformation Souple : polymères (caoutchouc) 9

11 Propriétés mécaniques des matériaux Limite élastique ou résistance à la rupture Ténacité 10

12 Propriétés électriques des matériaux Conductivité électrique 11

13 Les liaisons dans les matériaux Les liaisons entre atomes et molécules régissent l énergie de cohésion de la matière. Elles sont fonction de la nature des éléments constitutifs du matériau. 12

14 Les liaisons dans les matériaux C (diamant), Si COVALENTE CERAMIQUES POLYMERES Cellulose VAN der WAALS H 2 O, H 2, N 2 SiO 2 METAUX Etain Fer METALLIQUE Cu, Na, Ti, Ag IONIQUE NaCl, MgO, Al 2 O 3 Elles ont rarement un caractère parfaitement pur. Elles vont permettre de définir les grandes classes de matériaux. 13

15 Les matériaux combinés : les composites Métaux Alliages métalliques Fe, Al, Cu, aciers etc. Un matériau composite est constitué d au moins deux matériaux qui combinent de manière synergique leurs propriétés spécifiques. 14

16 Plan 1. Généralités sur les matériaux 2. Les céramiques et les verres 3. Matériaux biocompatibles : le cas des céramiques 4. Les composites : vers de nouveaux matériaux hautes performances 15

17 Les céramiques Etymologiquement : notion de terre cuite Matériaux non métalliques et non organiques obtenus par l action de fortes températures Liaisons iono-covalentes Composition chimique : Eléments métalliques Mg, Al, Ti, Zr, etc. Eléments non métalliques O : oxydes (MgO, ZrO 2, Al 2 O 3, etc.) N : nitrures (Si 3 N 4, ZrN, etc.) C : carbures (SiC, TiC, etc.) B : borures (TiB 2, ZrB 2 etc.) 16

18 Les céramiques Microstructure : Matériaux cristallisés en général polycristallins constitués d un agglomérat de grains de poudre soudés entre eux par traitement thermique sans fusion (frittage) Quartz 17

19 Les céramiques : fabrication POUDRE naturelle ou synthétique Mise en forme Cuisson (frittage) 900 C 2000 C Pièce solide 18

20 Les céramiques Poudres Mise en forme Frittage T < T fusion 70 % 50 % 0 % Porosité : (V pores /V total ) Retrait Diminution du volume par élimination de la porosité (densification) 19

21 Les céramiques 20

22 Les céramiques traditionnelles Les porcelaines 21

23 Les céramiques traditionnelles Les poteries 22

24 Les céramiques traditionnelles Les faïences 23

25 Les céramiques traditionnelles Le grès 24

26 Les céramiques techniques 25

27 Propriétés communes des céramiques Résistent à des températures très élevées Résistent à la corrosion Résistent aux fro8ements Mais!... Fragiles. 26

28 Les verres Vers un état «amorphe» Composition chimique : La plupart des verres sont à base d oxydes A m O n 27

29 Les verres SiO 2 Quartz Verre de silice 28

30 Les verres Procédé Propriétés POUDRE Fusion 1400 C 1700 C Coulée Mise en forme Figeage (cristallisation évitée par refroidissement rapide) Transparence Isolant thermique Isolant électrique Inertie chimique dans l agroalimentaire VERRE 29

31 Les verres Application des verres 10mm VITRAGE EMBALLAGE FIBRES OPTIQUES STOCKAGE DE DECHETS NUCLEAIRES 30

32 Plan 1. Généralités sur les matériaux 2. Les céramiques et les verres 3. Matériaux biocompatibles : le cas des céramiques 4. Les composites : vers de nouveaux matériaux hautes performances 31

33 Les céramiques au service de la médecine Les dents Les os 32

34 L os naturel HYDROXYAPATITE Ca 10 ( PO 4 ) 6 ( OH ) 2 + Minéraux Sodium (Na) Magnésium (Mg) Fluor (F) L os vu de près 33

35 Applications médicales : les biocéramiques Prothèses de hanche Dent artificielle Implant Ces céramiques sont biocompa=bles Cellules fabricant de l'os nouveau Œil ar=ficiel 34

36 Fabrication de l os au laboratoire Phosphore Calcium Mélange Régula'on de la température 35

37 Plan 1. Généralités sur les matériaux 2. Les céramiques et les verres 3. Matériaux biocompatibles : le cas des céramiques 4. Les composites : vers de nouveaux matériaux hautes performances 36

38 Elaboration de composites hautes performances Applications : systèmes de propulsion, réacteurs nucléaires de 4 ème génération Hautes températures Contraintes mécaniques élevées Atmosphères agressives 37

39 Matériaux considérés ZrC Atmosphère oxydante ZrO 2 ZrO 2 ZrO 2 ZrC Température limite d utilisation sous atmosphère oxydante ZrC SiC 400 C 1500 C ZrC/SiC Atmosphère oxydante SiO 2 SiO 2 ZrO 2 ZrO 2 ZrO 2 ZrC/SiC 38

40 De la molécule à la céramique Polymérisation Monomère Polymère Cristallisation Céramique amorphe Céramique cristalline 39

41 Un polymère pour une céramique SiO 2, SiO x C y, SiC. SiO 2, SiO x B y, SiB 2. SiO 2, SiO x C y, SiC. SiB 2, SiC x B y, SiC. SiC. SiB 2, SiB x N y, Si 3 N 4. SiC, SiC x N y, Si 3 N 4. Si 3 N 4, SiC x N y, SiC. 40

42 Stratégie de synthèse Polycarbosilane : precurseur de céramique SiC Pyrolyse Matériaux hybrides ZrC SiC + C libre 41

43 Caractérisation des matériaux Traitement thermique POLYMERES Spectroscopie de RMN Spectroscopie IR Spectrométrie de masse Rhéologie etc. POUDRES Analyse thermogravimétrique Diffraction des rayons X Microscopie électronique à balayage 42

44 Tests de résistance à l oxydation Four Solaire d Odeillo 43

45 44

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