Etude des matériaux

Chapitre 1 : Matière et matériaux.

0.    Introduction.

Matériaux = résultat de l’utilisation et des transformations de la matière.

Propriété = caractéristique correspondant au type et à l’ampleur des réactions d’un matériau exposé à un agent déterminé.
Principales propriétés :       -    Mécaniques : déformation d’un matériau soumis à une force.
-    Electrique : conductibilité, constante diélectrique.
-    Thermiques : capacité calorifique, conductibilité thermique,…
-    Magnétiques
-    Optiques : indice de réfraction, réflectivité,…
-    Chimiques : réactivité chimique des matériaux.

Il existe 6 grandes familles : les métaux, les céramiques, les polymères, les composites, les semi-conducteurs et les biomatériaux.

1.    Structure atomique et liaisons. (p.4)

Atomes = plus petites particules d’un matériau, lui confèrent ses propriétés particulières.
Exemple : l’acier, alliage très résistant mécaniquement et conducteur thermique et électrique, est principalement composé de deux types d’atomes : fer et carbone, contrairement au bois qui est composé de cellulose (contenant elle-même C, H et O)
C’est la nature de la liaison interatomique qui détermine les propriétés des matériaux. En plus de former des molécules (ex : polymères), les atomes peuvent former des réseaux cristallins (base de la plupart des matériaux métalliques et céramiques)

1.1    Structure atomique.

1.1.1    L’atome. (= particules de matière correspondant à la division la plus fine)

Cxv Ordre de grandeur du diamètre d’un atome : 2,5*10-10m = 0,25m.
p+, n0, e- = particules élémentaires. L’e- a une charge électrique de -1,6.10-19 C. Le p+ : 1,6.10-19 C
Nombre atomique Z = nombre de protons (ou d’électrons).
Masse du proton = masse neutron = 1,67.10-27kg, masse électron = 9,11.10-31kg.
On parle aussi d’unité de masse atomique u = 1,6605.10-27kg (douzième de la masse du carbone 12)
Nombre de masse A = somme des masses des protons et des neutrons.
Nucléides = espèce possédant le même Z et le même A. Si le A est différent, on parle d’isotopes.
Ion = entité chargée produite par l’arrachement ou l’ajout d’un électron à un atome neutre. Ion positif = cation ; Ion négatif = anion.

1.1.2    Structure électronique. (p.6)

Modèle considéré : celui de Bohr : l’énergie des électrons est quantifiée et représentée par des orbites circulaires stables (niveaux d’énergie). Autre modèle : Thomson : les électrons sont dans le noyau, Rutherford : les électrons gravitent autour du noyau, Schrödinger : représentation probabiliste).

Energie quantifiée = énergie qui ne peut varier que de manière discontinue.
Si l’e- effectue un saut vers une énergie plus élevée : absorption d’énergie.
Si l’e- effectue un saut vers une énergie plus faible : émission d’énergie.
Niveaux d’énergie =  différents états de l’énergie.
En réalité : les e- ne gravitent pas sur des orbitales bien définies, on parle de probabilité, de nuage électronique (modèle de la mécanique ondulatoire)

Energie d’un e-, définie par la taille, la forme, l’orientation spatiale et 4 nombre quantique :
•    n = la distance moyenne entre l’e- et le noyau = couche (désigné par les lettre K, L, M,…)
•    l = probabilité de trouver un e- à une distance donnée du noyau varie avec la direction. Pour n donné il existe n valeurs possibles de l = sous-couche  (désigné par : s, p, d ou f)
•    ml = nbre d’état énergétique pour chaque sous-couche, 1 pour s, 3 pour p, 5 pour d et 7 pour f
•    ms = moment cinétique (spin) (+ 1/2, -1/2 selon l’orientation)

1.1.3    Les configurations électroniques. (p.10)

Energie minimale des électrons = état fondamental. Notions d’atome excité (qui passe d’une couche à une autre) et d’électrons de valence (e- de la couche externe).

1.1.4    Le tableau périodique. (p.11)
Disposition en famille : structure électroniques de valence identiques et propriétés chimiques et physique semblables.
7 familles : alcalins, alcalino-terreux, terreux, carbonide, azotide, sulfuride, halogènes, gaz rares
ε+ = capacité de céder un ou plusieurs e- de valence pour devenir un cation (gauche du tableau)
ε- = capacité d’acquérir un ou plusieurs e- de valence pour devenir un ion négatif, cation (droite)
L’ε- augmente de gauche à droite et de bas en haut.

1.2    Liaisons atomiques dans les solides. (p.13) (responsable de la cohésion de la matière)
1.2.1     Liaison covalente. (Entre 1 et 7,3 eV ( ))
= Mise en commun d’un ou plusieurs e- (partagés et localisés) entre deux atomes identiques.
De forte intensité, solide et directionnelle. Intensité : inversement proportionnelle à la taille de l’atome.  Se trouve dans les matériaux non métalliques homogènes.
Aboutissent à la formation de cristaux semi-conducteurs, le silicium et le germanium qui forment avec eux-mêmes des liaisons covalentes homopolaires et l’arsenic et le gallium qui forment une liaison covalente hétéropolaire (=> matériaux semi-conducteur)

1.2.2     Liaison ionique. (Entre 2 et 7 eV) (p.15)
= Echange d’e- entre des éléments qui possèdent bcp d’e- de valence et d’autres qui en ont peu. Intensité : aussi inversement proportionnelle à la taille des noyaux. Se trouve dans les composés constitués de métaux et de non-métaux. Aussi intense que la liaison covalente mais pas directionnelle. Se trouve principalement dans les matériaux céramiques.

1.2.3     Liaison mixte. (p.16)
Lorsque les atomes ne sont pas les mêmes, la différence d’ε- entre les atomes permet d’évaluer la tendance à la formation d’une liaison ionique.
Les matériaux peuvent être cristallins, vitreux ou partiellement vitreux et cristallin.
Les céramiques telles que les verres sont vitreuses tandis que les vitrocéramiques sont semi-cristallins.

1.2.4    Liaison métallique. (Entre 0,4 et 6 eV) (p.18)
= Mise en commun d’ e- délocalisés entre tous les atomes présents. Dans les métaux et dans leurs alliages. Tous les atomes sont considérés comme cations. Liaison : courte, très intense mais pas orientée. (Éléments des colonnes IA et IIIA). Le caractère métallique diminue en allant vers la droite du tableau (prend un caractère de plus en plus covalent)

1.2.5    Liaisons de faible intensité (de V.D.W.). (Entre 0,4.10-3 et 0,5 eV) (p.20)
= Liaisons intermoléculaires assurant la cohésion de la matière. Dans les polymères macromoléculaires de synthèse et les élastomères. Possible grâce à la polarisation des molécules covalentes.
De très faible intensité. Il y a attraction dipolaire des e-.

1.2.6     Matériaux.
Une déformation est parfaitement élastique si le matériau reprend exactement ses dimensions initiales (peut-être considéré comme réversible). Les déformations plastiques (ou permanente) sont le fait que les matériaux ductiles ne retrouvent pas leurs dimensions initiales (matériaux métalliques et les matières thermoplastiques)

1.2.6.1    Matériaux covalents. (p.21)
Solides cristallins raides (soumis à contraintes, se déforme peu avant de se rompre. Inverse : ductile) et fragiles (peu d’énergie est nécessaire pour le déformer ou le rompre). Raideur due aux liaisons covalentes → pas de déformation plastique ni permanente. Absence d’e- libre → mauvais conducteurs thermiques et électriques.