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Introduction à la Chimie des Matériaux Pr. Amor Azizi Laboratoire de Chimie, In

Introduction à la Chimie des Matériaux Pr. Amor Azizi Laboratoire de Chimie, Ingénierie Moléculaire et Nanostructures Département de Chimie, Faculté des Sciences Université Ferhat Abbas-Sétif 1 1 2 Plan du Cours I- Introduction aux matériaux Introduction Les classes des matériaux Propriétés des matériaux Utilisation des matériaux II- Structure des Matériaux La liaison Chimique Forces de cohésion interne III- Structure des Matériaux Solides État physique des matériaux Arrangement des atomes dans les solides Description de l’état cristallin Détermination de la structure cristalline Structure des principaux matériaux VI- Les Polymères Structure des polymères Caractérisation des polymères Synthèse des polymères V- Les Céramiques Historique sur les Céramiques Céramiques Traditionnelles Céramiques Techniques IV. Les composites 3 Bibliographie Science et génie des matériaux Callister, éd. Dunod (2003) Des matériaux Baïlon, Ecole Polytechnique de Montréal (2000) Introduction à la science des matériaux Mercier, Zambelli et Kurz, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (1999) Matériaux, tome 1, propriétés et applications Ashby et Jones, éd. Dunod (1991) Précis de métallurgie Barralis et Maeder, éd. Nathan (2005) 4 Objectifs • Connaître les principaux groupes de matériaux et leurs propriétés. • Avoir des notions sur la structure de la matière • Avoir des notions sur la manière dont on élabore les matériaux. • Etre capable de choisir un matériau pour une utilisation d'ordre générale. 25/01/2021 4 5 I.1- Introduction 6 Généralités • Matériau = est un solide utilisé par l’homme pour la fabrication d’objets. • Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets: Un matériau est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise en œuvre en vue d'un usage spécifique. • La science des matériaux est l’étude des relations qui existent entre la structure et les propriétés générales de ces matériaux. • La structure d’un matériau correspond à la façon dont s’agencent (arrangements) ses éléments constitutifs. Outils de l’age de la pierre 7 Outils de l’âge du Bronze 8 9 Début de l’âge du fer 10 l’âge du fer 11 l’âge du fer La conquête de l’espace 12 13 Les Matériaux défini le niveau de développement de notre civilisation. Les Matériaux ont un rôle important dans tous les développements technologiques. 14 -Les matériaux ont toujours été d’une importance majeure pour la civilisation humaine. - Les différentes époques de l’humanité ont été marquées à chaque fois que l’homme maîtrisait un matériau : Age de la pierre, âge du cuivre, âge du bronze, âge du fer qui a abouti à notre époque marquée par la révolution industrielle de la fin du 19ème siècle. • âge de Pierre, puis de Bronze, puis de Fer • maîtrise de l’acier: trains, automobile, Avion,… • maîtrise des semi-conducteurs: Informatique et la révolution des télécommunications,… • moitié de la recherche du programme Apollo : Matériaux nouveaux Définitions 15 Les propriétés des matériaux sont liées à: - Nature des liaisons chimiques - Arrangement structural - Microstructure L’utilisation des matériaux dépend aussi : - Disponibilité - Coût - Méthodes de synthèse et de fabrication 2. C’est quoi un matériau ? • Matière est constituée par une particule élémentaire : Atome Molécule Ou 16 C’est quoi un matériau ? Les matériaux sont définis comme les solides utilisés pour la fabrication des objets utiles dans notre vie. 17 18 Les matériaux jouent un rôle indispensable dans le développement de la civilisation humaine C’est quoi un matériau ? Ingénierie: Les métaux sont rarement utilisés à l’état pur, car leur résistance mécanique peut être améliorée en leur ajoutant d’autres éléments (alliages métalliques (Acier=Fe-C) 19 Quelques principes généraux de la Science des Matériaux 1. La cohésion des solides dépend avant tout du type des liaisons atomiques. 2. Les matériaux se répartissent en métaux et leurs alliages, polymères ou matières plastiques, céramiques et verres, + (composites). 3. 84 % des éléments purs ont un comportement métallique. 4. Il existe de nombreuses phases à l’état solide, souvent métastables. 5. Beaucoup de matériaux sont polyphasés. 6. 80% des matériaux sont cristallisés, les autres sont amorphes. 7. Les matériaux cristallisés sont presque toujours polycristallins. 8. Le diamètre d’un atome quelconque est voisin de 0.25 nm. 9. On ne voit pas les atomes au microscope mais la microstructure. 10. Celle-ci caractérise la nature, la taille et la disposition interne des phases qui constituent un matériau, ainsi que les défauts qu’il contient. 20 Quelques chiffres (2012) • Répartition mondiale de la consommation des principaux matériaux en millions de tonnes/an: • Béton environ 5000 Mt/an • Aciers 1300 Mt/an • Polymères 150 Mt/an • Aluminium 52,6 Mt/an • Cuivre 12 Mt/an 21 I.2. Classes des matériaux: Les matériaux sont classés suivants leurs compositions et leurs propriétés. Il y a trois grandes classes de matériaux + (les composites) : Métaux et alliages métalliques Céramiques et verres Polymères Matériaux composites Mélange * Un matériau composite est obtenu par la combinaison de deux ou plusieurs matériaux appartenant aux trois premières classes . * Un matériau composite associe les propriétés spécifiques de ces constituants 22 Classe des Matériaux Métaux et alliages Exemples :Fer, Acier ( Fe+ 0,02 % -1.5 % C) , Fonte (Fe+ 2 % C), Inox (Fe+ Cr+ Ni) Cuivre: Bronze (60 % Cu + 40 % Sn), Laiton: (Cu+ Zn) Polymères Exemples: 1- Les polymères naturelles (bois, fibres végétale, cuirs, la cellulose, laine,…) 2- Les polymères synthétiques (Polychlorure de vinyle (PVC), polyéthylène (PE), polypropylène (PP), Polytétrafluoroethylène (PTFE: Téflon), Polystyrène (PS),… Céramiques (matériaux minéraux) : Exemples: -à base d'oxydes: réfractaires et abrasifs: Al2O3, ZrO2, MgO céramique pour l'électronique: ferrite (MFe2O4), manganite (Mn(3-x)MxO4) céramiques pour le nucléaire: UO2 céramiques pour l'optique: verres non silicatés, LiNbO3, PbZT membranes: zéolithes biocéramiques: Al2O3 - à base de nitrures et oxynitrures: céramiques réfractaires: Si3N4 et la famille des Si-Al-O-N - à base de carbures: abrasifs: SiC, TiC, B4C - à base de borures: réfractaires: TiB2, ZrB2 Composites Exemples: le béton armé (mélange: graviers, sable, ciment et d’eau), Fibres de verre, La fibre de carbone, Placoplatre 23 Les matériaux possèdent trois catégories de propriétés: I.3 Les propriétés des matériaux • Les propriétés mécaniques qui reflètent le comportement des matériaux lorsqu’ils sont sollicités par des efforts extérieurs. • Les propriétés physiques qui représentent le comportement des matériaux sous l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques ou de la lumière. • Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériaux dans un environnement réactif. • Il est admit que la réalisation de nouveaux objets est limitée par les propriétés des matériaux utilisés et leur disponibilité. Donc, tout progrès technologique est souvent lié au développement de matériaux ayant des propriétés améliorées ou nouvelles. 24 I.3 Les propriétés des matériaux 1. Les métaux et Alliages Métalliques Propriétés physiques et mécaniques • solides atomiques de grande densité • cohésion par liaisons métalliques • températures de fusion moyennes • tous cristallisés dans des systèmes simples • très bons conducteurs électriques et thermiques • rigidité moyenne à élevée • déformables plastiquement et tenaces • opaques à la lumière Propriétés chimiques • sensibles à l’oxydation Caractéristiques économiques • abondance et prix très variables • nombreux fabricants • recyclage possible • toxicité possible Mise en œuvre • très nombreux procédés bien connus 25 Propriétés physiques et mécaniques • chaînes carbonées contenant des éléments non-métalliques • solides moléculaires de faible densité • cohésion par liaisons faibles et covalentes • températures de fusion faibles • isolants thermiques et électriques • amorphes ou partiellement cristallisés • dilatation thermique importante • faible résistance mécanique • rigidité faible à très faible • tenue mécanique très sensible à la température Propriétés chimiques • réactivité chimique très variable, souvent très faible dans les conditions ambiantes • sensibles au vieillissement et à la lumière Caractéristiques économiques • abondance liée à la pétrochimie • prix très variables • nombreux fabricants • recyclage peu efficace ou impossible Mise en œuvre • différente suivant les thermoplastiques • ou les thermodurcissables • procédés faciles très nombreux • faible coût 2. Les polymères et matières plastiques 26 Ils sont des matériaux organiques (C,H,O,N,P,S) constitués par des chaînes moléculaire très longues d’atomes de C sur lesquels sont fixés des groupements d’atomes comportant de H, Cl, S, N … Propriétés physiques et mécaniques • combinaisons métal et élément léger : O, B, C et N. • solides moléculaires de densité moyenne • cohésion par liaisons iono-covalentes • températures de fusion très élevées • amorphes ou cristallisés • grande dureté • rigidité élevée • fragiles • tenue mécanique élevée à chaud Propriétés chimiques • inertes jusqu’aux hautes températures Caractéristiques économiques • céramiques traditionnelles et céramiques techniques • abondance et prix très variables • nombreux fabricants • recyclage difficile Mise en œuvre • procédés anciens et simples • ou très sophistiqués • assemblage difficile 3. Les céramiques et les verres 27 Les céramiques sont des matériaux où leur structure atomique est la combinaison d’éléments métalliques (Si, Al, Ti, …) et non métalliques dont le plus souvent est l’oxygène. I.4. Utilisation des matériaux Il est important de bien choisir les matériaux les mieux adaptés pour une application donnée. Ce choix doit être basé sur plusieurs facteurs : • Propriétés et uploads/Ingenierie_Lourd/ chimie-des-materiaux-i-2021.pdf