I. 1. Introduction Développement de la civilisation

I. 1. Introduction Développement de la civilisation Déterminant dans mutations technologiques Tenir compte du comportement des matériaux

Propriété = limites performances Sciences des matériaux = structures propriétés Génie des matériaux fabrication transformation mise en forme

I. 2. Comment d éé finir un mat éé riau ? classification Solides utilisés par l’homme pour la fabrication d’objets Tous les secteurs d’activités concernés Différents façons de classer les matériaux * composition nature des liaisons arrangement atomique * propriétés

I. 2. 1. Selon l ’’ arrangement atomique * Solide cristallin — arrangement régulier, tripériodique, à très grande distance — cristal réel = défauts — métaux et alliages, céramiques

Solides non cristallins ou vitreux ou amorphes — absence d’ordre à longue distance — Systèmes désordonnés ou mal ordonnés — Verres minéraux, polymères organiques — État vitreux instable

* Solides semi-cristallins — domaines cristallins reliés par zones amorphes — Polymères organiques, céramiques

I. 2. 2. Les trois grandes classes de mat éé riaux Caractéristiques atomiques, structurales et propriétés 3 grandes classes combinaison des 3 types composites

2. 2. 1. M éé taux et alliages – Majeure partie des éléments – Les plus utilisés : Fer, Aluminium, cuivre – Alliages métalliques Combinaison de 2 ou métaux +métalloïde Plusieurs métaux(Cu, Zn) (Fe-C) — Bon conducteurs thermiques et électriques — Durs, rigides et déformables plastiquement

2. 2. 2. Polym èè res organiques H H F – c – c H Cl — Longues chaînes de C macromolécules — Matériaux macromoléculaires

.

PVC — polymères les plus connus PE PS plexiglas (PMMA) — Non commerciaux Nylon ( PA ) Téflon ( PTFE )

— Propriétés physiques diversifiés (verres organiques, caoutchouc ) — Isolants électriques et thermiques — Légers, mise en forme facile — Peu rigides, T < 200 °

2. 2. 3. Les c éé ramiques — Matériaux inorganiques — éléments métalliques (Mg, Al, Fe, Zr, Si, W. . ) combinaison — éléments non métalliques ( O, N, C. . )

— Origine : céramiques = oxydes (Si. O 2 , Al 2 O 3 ) — Extension : carbures ( WC, Si. C ) nitrures ( Si 3 N 4 , Ti. N ) — Matériaux réfractaires résistances mécanique et thermique élevées

— Isolants électriques et thermiques — Très durs et très fragiles — Verres minéraux = combinaisons d’oxydes ( Si. O 2 + Na 2 O + Ca. O ), structure amorphe classe céramiques

2. 2. 4. Composites — deux ou plusieurs matériaux différents qui combinent de manière synergiques leurs propriétés spécifiques — Ex : légèreté plus résistances mécaniques résine époxyde + fibres de verre

béton = ciment + gravier béton armé = ciment + gravier + acier Remarque : subdivision arbitraire diamant polymère tridimensionnel propriétés mécaniques = céramiques

I. 3. Propri éé tt éé s des mat éé riaux Comportement = réaction à une sollicitation Propriétés = mesure d’un comportement par un essai 3. 1. Classification — sollicitations diverses — 3 catégories : * mécaniques * physiques * chimiques

3. 2 Facteurs d éé terminant les propri éé tt éé s s dd ’’ un mat éé riau Arrangement des atomes et nature des liaisons * opacité des matériaux * transparence des verres * extensibilité du caoutchouc

Microstructure * le plus souvent * matériaux constitués de grain ou particules microscopiques ensemble de ces grains ou particules, observables par microscopie = microstructure du matériau

Constituants de la microstructure définis par : * composition et arrangement atomique * quantité relative * morphologie * taille Exemple * modification contrôlée de la microstructure large gamme de de propriétés * maîtrise des phénomènes de vieillissement matériaux fiables et stables

Sollicitation Propriété des matériaux Mécanique résistance, élasticité, plasticité, flua ge, rupture, dureté… Propriétés mécaniques Électrique conductivité, supraconductivité, s emiconductivité, permittivité Propriétés physiques Magnétique Permméabilité, coercitivit, hysteri sis, susceptibilité…. Propriétés physiques Thermique chaleur spécifique, dilatation thermique, conductivité thermique, changement de phase Propriétés physiques Optique Opacité, transparence, effet laser, fluorescence, luminescence, b iréfringence, polarisation Propriétés physiques chimique Résistance à la corrosion, oxydation, érosion. . Propriétés chimiques

I. 4. Utilisation des matériaux choix du matériau le plus adapté Critères de choix – fonctions principales de la construction – Comportement intrinsèque du matériau – Prix de revient des différ solutions possibles Développement d’une technologie fréquent de substituer un matériau à un autre performance économie

Exemple carrosserie automobile Bois métal polymère formage allégement de structures propriétés contrôlables = économie d’énergie grandes séries concurrence polymères aciers à haute résistance tôles plus minces allégement

I. 5. Cycle des matériaux ressources naturelle — capacité de production possibilité de recyclage des déchets ressources d’un élément = quantité disponible dans — écorce terrestre — océans — atmosphère Pouvant être extraite dans le futur

Réserves = ressources susceptibles d’être exploitées économiquement à l’heure actuelle Gisements = zones ou concentration en minerai est » moyenne Réserves « ressources

Répartition des principaux éléments cuivre < 0. 01 % soit 100 g tonne production en masse # Aluminium carbone ressources très importantes Écorce terrestre 96 % de son volume = oxydes

Extraction des ressources et élaboration des matériaux Grande quantité d’énergie Prix matériaux prix énergie

Avantage polymères organiques Aluminium beaucoup d’énergie croissance production freiné Béton le moins cher le plus utilisé

Impacts environnementaux hydrocarbures fossiles (pétrole en particulier) utilisés pour la fabrication des matières plastiques. Ce sont des sources importantes de gaz à effet de serre. De nombreux additifs toxiques (plomb, cadmium, chlore en particulier) sont utilisés pour fabriquer certaines matières plastiques courantes, dont le PVC. les plastiques, à la différence des polymères naturels sont peu dégradables et mal biodégradés. Certains de leurs additifs constitués de métaux lourds sont non-biodégradables.

Enfin, la combustion de la plupart des matières plastiques libère de nombreux polluants et toxiques en particulier lorsqu’il s’agit de PVC (organochlorés dont dioxines et furanes, mais aussi métaux lourds qui constituent jusqu’à 50 % du poids de nombreux plastiques, comme additif anti-UV et colorant).

Composition générale La matière de base (la résine) est un mélange de molécules en longues chaînes appelées polymères. En plus de la résine , les additifs et adjuvants sont là pour améliorer les propriétés chimiques et physiques du matériau, notamment la résistance aux chocs, la couleur, la plasticité, la résistance au vieillissement, etc.

la résine de base. les adjuvants et additifs. plastifiants : en général liquides ou visqueux, permettent de rendre la résine souple et élastique. lubrifiants : facilitent le moulage. pigments : donnent la couleur du plastique. stabilisants : retardent la dégradation du plastique, résistance aux ultraviolets (sels métalliques de plomb, étain, baryum, sodium, etc. ). charges ou renforts : diminuent le coût, augmentent la résistance mécanique (marques kevlar et teflon).

Familles de matières plastiques. [ Thermoplastique Les thermoplastiques se déforment et sont façonnables sous l’action de la chaleur, gardent cette forme en refroidissant. Cette propriété permet leur recyclage : les objets sont broyés et refondus pour en élaborer d’autres. Les plus répandus sont le polychlorure de vinyle, le polystyrène (jouets, ustensiles de cuisine, etc. ), les acryliques, les polyamides, les polyoléfines (polypropylène, polyéthylène haute ou basse densité).

charges minérales : carbonate de calcium, talc, amiante, graphite, silice, fibre de verre, mica, etc. charges organiques : farine de bois, fibres naturelles ou synthétiques, etc. anti-statique : s’oppose aux dépôts de poussières en rendant le plastique conducteur en surface. fongicide : résistant aux micro-organismes, asepsie. ignifugeant : retardant la propagation des flammes. solvants : pour peintures (enduction).

Thermodurcissable Les thermodurcissables prennent leur forme définitive au premier refroidissement, la réversibilité est impossible. Les plus célèbres sont les phénoplastes (bakélite), les aminés (mélamine). Élastomère Les élastomères sont des polymères présentant les mêmes qualités élastiques que le caoutchouc. Ils sont employés dans la fabrication des coussins, de certains isolants ou des pneus, ce sont des matériaux très résistants.

GG éé nn éé ralit éé s sur les matmat éé riaux plastiques Pour bien comprendre les plastiques il est nécessaire de connaître la fabrication et la mise en œuvre de ces matières.

Qu’est-ce qu’une mati èè re plastique ? L’obtention d’une pièce en matière plastique résulte de la succession des étapes suivantes:

Du p é trole au monom è re Le pétrole mélange d’hydrocarbures qui sont plus ou moins lourds. des points d’ébullition relativement différents les uns des autres. la séparation des constituants du pétrole qui est une distillation fractionnée. Cette distillation s’effectue dans une haute colonne en acier, dite colonne de fractionnement. Cette colonne est compartimentée intérieurement par un certain nombre de plateaux horizontaux. Le pétrole est préalablement chauffé dans un four à environ 400°C. A cette température, la plupart des fractions constituant le pétrole sont sous forme de gaz. Lorsqu’elles pénètrent dans la colonne, elles s’élèvent à l’intérieur en se refroidissant au fur et à mesure de leur ascension. Schéma de raffinage du pétrole.

Sch. Sch éé ma de raffinage du pp éé trole

En particulier Chacune des fractions obtenues lors de la distillation fractionnée ne peut être utilisée directement car il ne s’agit pas de produits purs. Ce sont encore des mélanges qu’il faudra traiter pour obtenir les hydrocarbures utilisés dans différents secteurs (gas-oil, essence, produits de base de la pétrochimie) l’une des coupes obtenue est le naphta qui va être à la base de plusieurs polymères. Nous allons examiner le traitement réalisé sur cette coupe naphta qui est le plus souvent le vapo-craquage. Schéma d’un vapo craqueur 1: arrivée du naphta. 2: passage dans un four. 3: séparation du naphta et des résidus 4: compression des gaz. 5: lavage à la soude. 6: nouvelle distillation

coupe obtenue est le naphta qui va être àà la base de plusieurs polym èè rere le vapo-craquage

Schéma d’un vapo craqueur 1: arrivée du naphta. 2: passage dans un four. 3: séparation du naphta et des résidus 4: compression des gaz. 5: lavage à la soude. 6: nouvelle distillation

Cette distillation s’effectue dans une haute colonne en acier, dite colonne de fractionnement. Cette colonne est compartimentée intérieurement par un certain nombre de plateaux horizontaux. Le pétrole est préalablement chauffé dans un four à environ 400°C. A cette température, la plupart des fractions constituant le pétrole sont sous forme de gaz. Lorsqu’elles pénètrent dans la colonne, elles s’élèvent à l’intérieur en se refroidissant au fur et à mesure de leur ascension.

Du monom èè re au polym èè rere A partir de petites molécules ( monomères ) macromolécules ( polymères) la polymérisation. Cette opération n’est possible que grâce à la structure particulière des monomères et sous certaines conditions: Pression — Température – catalyseurs.

Autres modes d’obtention des polymères : La polycondensation, Par élimination d’un condensant d’eau, d’ammoniaque ou de gaz carbonique, les Monomères s’associent entre eux sans intervention extérieure. La polyaddition , Il s’agit d’une opération analogue à la précédente, sans rejet.

Les polymères ou macromolécules finalement obtenus constituent la matière première utilisée par les plasturgistes. Ces résines de base sont en général livrées sous forme de granulés ou de poudres. Le catalyseur étant un produit chimique provoquant ou facilitant une réaction

Les thermoplastiques sont constitués de macromolécules linéaires qui peuvent glisser les unes par rapport aux autres sous l’effet de la chaleur, ou de fortes contraintes. Quand on chauffe un thermoplastique, il se ramollit et devient malléable. Quand on le refroidit, il se fige. La transformation d’un thermoplastique est réversible. Il est donc recyclable. Le granulé ou la poudre avant transformation se trouve dans un état chimique stable et définitif : pas de modification chimique lors de la transformation.

Le cycle de transformation est le suivant : Solide ——>Fluide (état pâteux) Fluide ——>Solide La solidification s’effectuera par refroidissement (moule en injection). La forme obtenue peut être modifiée par l’action de la chaleur (rebroyé utilisable).

Les thermodurcissables sont constitués de réseaux macromoléculaires tridimensionnels, où des pontages entre chaînes empêchent tout glissement. Sous l’effet de la chaleur, le réseau renforce ses liaisons et se rigidifie. Sous de trop fortes températures, le thermodurcissable se dégrade ( carbonisation).

La transformation d’un thermodurcissable est irréversible. Au sein de cette grande famille, seuls les principaux TD pour l’automobile seront abordés (les polyuréthannes, les caoutchoucs, les polyesters insaturés, et les phénoliques).

Les polyur é thannes ou PU : des produits r é actifs Les PU sont des matériaux dont les performances sont très variées en fonction des associations chimiques réalisées. La réaction chimique de base est de ce type : polyol formulé (composant A) + Diisocyanate (composant B) —-> Polyuréthane Selon la formulation des composants A ou B, on peut obtenir : des élastomères, des mousses (grâce à un agent d’expansion), des PU stable ou non à la lumière, des PU rigides armés (renforts fibre de verre), etc. . .

La poudre ou la résine avant transformation est dans un état chimique intermédiaire: Il y a modification chimique pendant la transformation. La solidification ou durcissement s’effectue par la chaleur, par les durcisseurs (résine). La forme obtenue est définitive. Pas de transformation par la chaleur (rebroyé inutilisable).

Types d’additifs Effets Nature des additifs Renforts Accroître la résistance mécanique Fibre de verre Fibre de carbone Métal Charges Donner de la souplesse et réduire la fragilité Phtalates, phosphates adipates, sébacates, stérates Plastifiants Types d’additifs Sels de plomb, de Ba, Ca, Sn Stérates, huile de soja époxydée Stabilisants: Anti u. v. Anti chaleur Amines Types d’additifs Sels de plomb, de Ba, Ca, Sn Stérates, huile de soja époxydée Stabilisants : anti-oxydants Lutter contre l’oxydation Aminés aromatiques Dérivés phénoliques Colorants Conférer un bel aspect Pigments minéraux et organiques Oxydes métalliques

Les polyur éé thannes (mise en œœ uvre par r éé action) Désignation Quelques avantages Quelques limites d’emploi Applications dans l’automobile Mousses souples Large plage de densité 35 à 60 Kg / m 3 Amortissement des vibrations Déchirure Déformation Rémanente à chaud — Matelassures de sièges — Insonorisants Mousses semi-rigides Compromis Poids / dureté Défauts d’écoulement pendant le moussage ( cloques. . . ) — Remplissage de planches de bord — Accoudoirs Mousses rigides Large plage de densité Facilité de mise en œuvre Fiabilité — Tablettes arrière ( sous tissus) — Panneaux de porte — Remplissage de corps creux Mousses Microcellulaires à peau Toucher Propriétés élastiques Tenue aux UV (peinture fond de moule nécessaire) — Volants de direction Elastomères Propriétés élastiques et tenue aux chocs Coût — Pare-chocs

Les thermoplastiques sont constitués de macromolécules linéaires qui peuvent glisser les unes par rapport aux autres sous l’effet de la chaleur, ou de fortes contraintes. Quand on chauffe un thermoplastique, il se ramollit et devient malléable. Quand on le refroidit, il se fige. La transformation d’un thermoplastique est réversible. Il est donc recyclable.

Le granulé ou la poudre avant transformation se trouve dans un état chimique stable et définitif : pas de modification chimique lors de la transformation. Le cycle de transformation est le suivant : Solide ——>Fluide (état pâteux) Fluide ——>Solide La solidification s’effectuera par refroidissement (moule en injection). La forme obtenue peut être modifiée par l’action de la chaleur (reberoyé utilisable).