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Chimie des matériaux ESTPO L2A Dr moustapha SAWADOGO Maître Assistant Chimie mi

Chimie des matériaux ESTPO L2A Dr moustapha SAWADOGO Maître Assistant Chimie minérale - chimie des matériaux 1 Chimie des Matériaux Plan du cours Chapitre 2 : Liaisons atomiques - Cohésion et propriétés des solides Chapitre 3 : Céramiques, verres et les liants minéraux Chapitre 1 : Préambule – Notions générales Chapitre 6 : Les solides cristallisés et les défauts cristallins 2 Chapitre 4: Matériaux composites Chapitre 5: Goudron, Bitume, Asphalte et enrobé Objectifs du cours Permettre à l’étudiant de distinguer les différents types de matériaux du point de vue de: - leur structure et composants - leurs propriétés physiques, chimiques et mécaniques - leurs applications Chimie des Matériaux Il ne s'agit pas, par ce cours: De rendre les étudiants spécialistes du choix des matériaux ni de leur fournir une connaissance encyclopédique sur les matériaux. Il s'agit pour les étudiants : - de baser leur raisonnement sur les propriétés des matériaux requises en fonction de leur nature et des conditions d'utilisation. - d’analyser un objet pour sa représentation - d’associer plusieurs matériaux entre eux dans un projet, un concept 3 Introduction • Les matériaux sont en général le facteur limitant des machines et définissent le niveau de développement de l’humanité • âge de pierre, puis de bronze, puis de fer • maîtrise de l’acier : trains, automobile, … • maîtrise des semi-conducteurs: informatique • recherche du programme Apollo : matériaux nouveaux Chimie des Matériaux • Matériau = est un solide utilisé par l’homme pour la fabrication d’objets 4 • 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 ses éléments constitutifs Échelle subatomique Échelle atomique Échelle microscopique Échelle macroscopique • La chimie des matériaux est l’étude des relations qui existent entre la structure et les propriétés chimiques de ces matériaux 2018 - 2019 Chimie des Matériaux Introduction 5 6 Chapitre 1: Préambule – Notions générales Chimie des Matériaux 1- Généralités Matériaux amorphes Matériaux Cristallins Organisation des atomes pour former une maille élémentaire. La maille élémentaire se répète dans les 3 directions de l’espace. Les atomes sont ordonnés à courtes distances (molécules). Mais la structure ne présente pas d’ordre à grandes distances. Chimie des Matériaux 7 Matériaux 8 Rôle essentiel des matériaux dans la société et les mutations technologiques - Propriétés des matériaux utilisés et comportement des matériaux limitant les performances des machines et des équipements - Disponibilité, coût, méthodes de synthèse et de fabrication - Emploi des matériaux conditionné par les méthodes de transformation, leur facilité de mise en forme et leur compatibilité avec l’environnement Facteurs à prendre en compte pour l’utilisation des matériaux dans la réalisation des objets - Fonctions principales des objets et des structures - Comportement intrinsèque des matériaux Chimie des Matériaux - Comportement des matériaux durant leur fabrication et leur transformation - Comportement des matériaux vis-à-vis de l’environnement - Prix de revient des diverses solutions envisagées - Possibilité de recyclage ou d’élimination par incinération avec récupération d’énergie - Coût d’extraction des minerais fonction de: • la situation géographique • la conjoncture économique • l’évolution des besoins et des techniques de traitement • la conjoncture politique et sociale des pays producteurs Chimie des Matériaux 9 10 Cycle des matériaux, Recyclage, Ressources Chimie des Matériaux 11 2- Choix d’un matériau Le Choix d’un matériau dépend de l'application. Il faut définir précisément le besoin. Cela fait appel à la notion de fonction : • cahier des charges fonctionnel (CDCF). • Méthode APTE : diagramme pieuvre, validation du besoin Chimie des Matériaux Pourquoi le besoin existe-t-il ? Qu'est-ce qui peut le faire disparaître ? A qui rend il service? Sur quoi agit-il? Dans quel but? Etude Qu'est-ce qui peut le faire évoluer ? 12 * Tous les ingénieurs utilisent des matériaux. * La plupart des progrès technologiques ont été obtenus grâce à l’évolution des matériaux. * La science des matériaux : étude des relations entre... - l’organisation de la matière à l’échelle atomique - la microstructure - les propriétés des matériaux 3- Généralités et exemples * L’utilisation des différents types de matériaux dépend : des propriétés ; de la disponibilité ; du coût ; de la compatibilité avec l’environnement et aussi de l’importance des travaux * Exemple : route, centrale nucléaire Chimie des Matériaux 13 • Matériaux anisotropes les propriétés sont fonction de la direction Exemples : bois, roches sédimentaires, fibres de verre • Matériaux orthotropes les propriétés sont définies selon trois axes Exemples : laminés • Matériaux isotropes les propriétés sont les mêmes dans toutes les directions Exemples : acier, béton Propriétés des matériaux Généralités et exemples Chimie des Matériaux 14 Méthodes de caractérisation - analyse chimique - microscopie (optique, électronique) - diffraction des rayons X Paramètres microstructuraux - composition chimique - arrangement atomique - morphologie, taille Aspects microscopiques Caractérisation des matériaux Généralités et exemples Chimie des Matériaux 15 Mécaniques - résistance - déformation - coefficient de poisson ... Aspects macroscopiques Physiques - Résistivité électrique - Conductibilité thermique - perméabilité magnétique ... Chimiques - enthalpie - électronégativité - énergie de liaison ... Paramètres Caractérisation des matériaux Généralités et exemples Chimie des Matériaux 16 4- Les classes de matériaux En fonction de la nature des liaisons et des structures atomiques Il y a trois classes de matériaux Chimie des Matériaux 17 Les matériaux métalliques et alliages Aciers alliages d ’Al, de Ti, de Ni, de Zn, de Zr etc…. Les céramiques - céramiques - verres - poteries - ciments et bétons - roches... Les semi-conducteurs Si, Ge, AsGa, InP... Les polymères - naturels - artificiels - synthétiques thermoplastiques élastomères Les matériaux composites - céramique-polymère - céramique-métal - céramique-céramique Nanomatériaux ? fullerènes nanotubes nanostructures… bio-matériaux Les différentes classes de matériaux Est-ce vraiment une classe ? Les classes de matériaux Chimie des Matériaux 18 Chimie des Matériaux - d’origine végétale : qui proviennent essentiellement des plantes : bois, écorce, laine, fibre ; Ce sont des matériaux naturels très utilisés et biodégradables. - d’origine pétrolière : les résidus solides de la distillation du pétrole sous vide c’est-à-dire qui ne distille pas : le bitume ; le coke… - d’origine animale : corne, cuir,… 4-1- Les organiques - Les plastiques : Ce sont des matériaux synthétiques : Ils n'existent pas dans la nature. Ils sont créés à partir de matières dérivées du pétrole. Ce sont de mauvais conducteurs de chaleur et d'électricité : Isolants Les plastiques se classent en deux grandes catégories : • les thermoplastiques (qui devient plastique sous l’action de la chaleur) • les thermodurcissables (qui durcit au dessus d’une certaine T° et qui ne reprend plus sa consistance première) 19 Chimie des Matériaux - Les alliages de métaux : En incorporant à un métal un ou plusieurs autres métaux, ou des éléments non métalliques, on forme des alliages. Les métaux les plus courants permettent de distinguer 2 familles : les alliages ferreux (la fonte) et les alliages non ferreux (le zamack, le laiton, le bronze,...) Exemple : Acier (fer + carbone) ; Bronze (cuivre + étain) ; Zamack (zinc + alu + magnésium); Laiton (cuivre + zinc) - Les métaux sont des éléments naturels. On les trouve à partir des minéraux, parfois à partir du métal natif (pépites d’or). Ce sont de très bons conducteurs du courant électrique et de chaleur. Ils s’oxydent. Une fois triés, ils peuvent être facilement recyclés. Ex : cuivre, aluminium, or, argent, plomb, zinc, … 4-2- Les métaux 20 Chimie des Matériaux Ce sont les matériaux les plus anciennement utilisés par l'homme. - Les céramiques : sont très dures, très rigides, résistent à la chaleur, à l'usure et à la corrosion, mais elles sont très fragiles. Exemple : terre cuite, porcelaine, creuset, carreaux…... - Le verre : est un mélange de sable, de soude et de calcaire. Ce mélange est broyé et chauffé à 1500°C. Le verre sert à fabriquer des bocaux, des bouteilles et autres récipients. Le verre est collecté, car il peut être réemployé ou recyclé (Son recyclage est cependant très polluant, comme sa fabrication). 4-3- Les céramiques et les verres 21 4-4- Les composites Chimie des Matériaux Un matériau composite est constitué de deux phases essentielles : le renfort et la matrice. Les renforts se présentent sous forme de fibres continues ou discontinues. Le rôle du renfort est d’assurer la fonction de résistance mécanique aux efforts. Les renforts se présentent sous les formes suivantes : linéique, tissus surfaciques, multidirectionnels . Le renfort peut être organique ou inorganique La matrice assure quant à elle la cohésion entre les renforts de manière à répartir les sollicitations mécaniques. L’arrangement des fibres, leur orientation permettent de renforcer les propriétés mécaniques de la structure. La matrice peut être organique ou inorganique 22 Chapitre 2 : Les liaisons atomiques - cohésion et propriétés des solides Chimie des Matériaux 2019 - 2020 23 Remplissage des couches électroniques quand Z augmente L’énergie de liaison des électrons dépend de quatre nombres quantiques : • n, nombre quantique principal : Nombres entiers : 1,2,3 niveau ou couche (K, L, M, N) (taille uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-matriaux-l2a-2021.pdf