Sciences des matériaux

La science des matériaux regroupe l'étude et la mise en œuvre des matériaux qui constituent les objets qui nous entourent (métaux, polymères, semiconducteurs, céramiques, verres, etc.). Elle est au cœur de beaucoup des grandes révolutions techniques depuis un siècle^[1] : électronique (ordinateurs, lecteurs de CD et DVD, etc.), automobile (moteurs, carrosserie, phares, etc.), aéronautique, énergies renouvelables (panneaux solaires...), nanosciences, nanotechnologies, etc.

Sommaire 1 Historique 2 Principes de la science des matériaux 3 Les grandes classes de matériaux 3.1 Métaux 3.2 Polymères 3.3 Semi-conducteurs 3.4 Céramiques et verres 3.4.1 Les céramiques 3.4.2 Les verres 3.5 Composites 3.6 Biomatériaux 4 L'industrie des matériaux 4.1 Mise en forme des matériaux 4.2 Applications 4.3 Aspects économiques et environnementaux 5 Caractérisation des matériaux 6 Prix Nobel 7 Notes et références 8 Bibliographie 9 Voir aussi 9.1 Liens internes 9.2 Liens externes

Historique

Jusqu'au XIXe siècle l'utilisation des matériaux était essentiellement empirique. Une évolution majeure a eu lieu quand Josiah Willard Gibbs (1839-1903), physico-chimiste américain, réussit à démontrer que les propriétés thermodynamiques reliées à la structure atomique avaient un lien direct avec les propriétés physiques d'un matériau^[2]. À la suite de cela, la science des matériaux ne s'est plus limitée aux métaux ou aux céramiques et s'est considérablement diversifiée, notamment avec le développement des plastiques, des semi-conducteurs après la seconde guerre mondiale^{[réf. nécessaire]}. Aujourd'hui, le principal moteur de l'innovation de cette science est constitué par le développement de nouvelles technologies destinées à des domaines de pointe tels que les nanotechnologies (l'infiniment petit) ou l'aérospatial.

Principes de la science des matériaux

La science des matériaux repose sur la relation entre les propriétés, les performances d'un matériau et sa morphologie structurale. La connaissance et la maîtrise des phénomènes microscopiques (diffusion, arrangement des atomes, recristallisation, apparition de phases, etc.) confèrent aux scientifiques et aux industriels la possibilité d'élaborer des matériaux aux propriétés et aux performances voulues.

La conception d'un cristal parfait est actuellement physiquement impossible, mais ce sont souvent ses défauts structurels qui rendent intéressants un matériau. On utilise donc les défauts dans les matériaux cristallins (tels que précipités, joints de grains, atomes interstitiels, lacunes, dislocations, etc.) pour créer des matériaux avec les propriétés désirées.

Les grandes classes de matériaux

Métaux

Les métaux sont des matériaux basés sur des éléments chimiques ayant la particularité de pouvoir former des liaisons métalliques et perdre des électrons pour former des cations (exemple : Fe -> Fe²⁺ ou Fe³⁺). Ils peuvent être caractérisés aussi bien de manière physico-chimique que de manière électronique (cf. section caractérisation). Les métaux se caractérisent par plusieurs particularités physiques. Ils sont de bons conducteurs électriques, cette caractéristique se mesure soit grâce à la conductivité soit grâce à son inverse, la résistivité. Ils sont aussi de bons conducteurs thermiques et possèdent un éclat lumineux. Du point de vue mécanique, ils se caractérisent par des propriétés telles que leur module d'élasticité (généralement élevé, de l'ordre de plusieurs GPa), leur dureté, leur ductilité, etc.

Sur Terre, on ne trouve quasiment les métaux que sous forme d'oxydes. Cependant, ils sont peu utilisés sous cette forme (excepté dans le domaine de la micro électronique). On préfère les utiliser purifiés, tel que l'est le cuivre ou sous forme d'alliages. Il faut également noter l'importance du fer, qui est très souvent utilisé sous forme d'acier ou de fonte après ajout de carbone.

Du point de vue économique, on note deux secteurs extrêmement importants, celui de l'acier et celui de l'aluminium. En 2007, la production mondiale d'acier s'élevait à 1,3 milliard de tonnes soit une augmentation de 5,4 % par rapport à 2006^[3]. Ce secteur est actuellement dominé par l'entreprise Mittal Steel. Le secteur de l'aluminium est quant à lui partagé entre plusieurs grands groupes tels que Rio Tinto ou Alcan. En 2008, la production d'aluminium s'est élevée à 3,1 millions de tonnes soit une augmentation de 11,5 % par rapport à 2006^[4].

Polymères

L'étymologie du mot polymère vient du grec « pollus » plusieurs et « meros » partie. Un polymère est une macromolécule organique (ou parfois minérale) constituée d'un enchaînement répétitif d'un (ou plus) type(s) de monomère. Les monomères sont reliés entre eux par des liaisons covalentes. Les propriétés des polymères dépendent notamment du type de monomère(s), de la nature de leur assemblage et du degré de polymérisation.

On distingue les polymères naturels, les modifiés (polymères artificiels) et les synthétiques. On peut aussi les classer selon leur architecture. On distingue par exemple les polymères linéaires, branchés (avec des ramifications) ou non, les dendritiques (ramifications dans les trois dimensions) et les réticulés ou tridimentionnels qui forment un réseau.

Les polymères peuvent être fabriqués de diverses façons. On peut citer :

• les homopolymères, qui sont fabriqués avec le même monomère ;
• les copolymères, qui sont fabriqués avec des monomères différents.

Un autre type de classification des polymères est aussi selon leurs propriétés thermomécaniques. On distingue :

• les thermoplastiques : qui deviennent malléables quand ils sont chauffés, ce qui facilite leur mise en œuvre ;
• les thermodurcissables : qui durcissent avec la chaleur ou par ajout d'un durcisseur en faible proportion. Ce durcissement est en général irréversible ;
• les élastomères : qui présentent un allongement réversible très important et souvent une température de transition vitreuse inférieure à l'ambiante.

On peut classer les polymères en deux types, en fonction de leur comportement à la chaleur et sous pression :

• les thermoplastiques se ramollissent quand on les porte au-delà d'une certaine température. C'est le cas des polyoléfines (PE, PP...). Une fois fondus, on peut les mettre en forme aisément par injection, thermoformage ou extrusion ;
• les thermodurcissables durcissent par réaction chimique. On peut citer les résines polyépoxydes, certains polyuréthanes.

Du fait de leurs propriétés intéressantes, les polymères ont peu à peu envahi les industries et la vie quotidienne en remplaçant les matériaux traditionnels.

Semi-conducteurs

Structure des semi-conducteurs

On applique la théorie des bandes, ce qui amène à considérer une bande de valence entièrement pleine qui est séparée d'une bande de conduction par une bande interdite distance de l'énergie ΔE. Pour qu'un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction, on apporte une énergie thermique ou lumineuse. Dans un semi-conducteur, ΔE est assez faible pour autoriser, à température ambiante, le passage d'un petit nombre d'électrons de la bande de valence vers la bande de conduction.

La conduction électrique

Si nous considérons le modèle quantique des bandes d'énergie, les électrons occupent des niveaux d'énergie. Ces niveaux d'énergie sont discrets dans l'atome et de part les interactions entre atomes dans un cristal, s'étendent à des bandes d'énergie permises séparées par des bandes interdites. Dans les isolants, les bandes d'énergie les plus faibles sont remplies. Du fait d'une grande bande interdite (~ 5 eV), il n'y a pas de niveaux d'énergie accessibles et donc aucune conduction. Dans les conducteurs, la dernière bande est partiellement occupé, il existe donc beaucoup de niveaux d'énergie disponibles, d'où une bonne conduction. Dans les semi-conducteurs, la dernière bande se trouve peu ou très occupée et la bande interdite est faible (~ 1 eV). Il y aura donc une conduction faible.

Conduction par électron et par trou

Le trou est une lacune qui va être comblée par un électron voisin libéré par l'agitation thermique et qui va à son tour laisser un trou. Aux électrons (masse positive, charge négative) correspondent des trous (masse négative, charge positive). Les trous et les électrons constituent les porteurs libres intrinsèques dont le nombre est fonction de la température. Pour avoir une neutralité électrique, on impose le même nombre de trous et d'électrons.

Semi-conducteurs dopés

Type N : On introduit dans la matrice du semi-conducteurs des atomes d'impureté. Chacun de ses atomes apporte un électron de valence supplémentaire. Cet électron est peu lié au noyau et passe aisément dans la bande de conduction. La conduction dite de type N est assurée par les électrons. Les électrons sont les porteurs majoritaires. La conductivité extrinsèque devient très supérieure à celle du matériau pur, à cause du taux de dopage. Les atomes donneurs deviennent des ions positifs après passage des électrons excédentaires dans la bande de conduction.

Type P : On introduit dans le réseau une impureté trivalente telle que le bore, l'aluminium, le gallium ou encore l'indium. Il manque à cette dernière un électron de valence pour assurer les quatre liaisons avec l'atome de silicium voisin. Une faible énergie suffit à ce qu'une impureté capte l'électron d'un silicium voisin. Les atomes trivalents, appelés accepteurs, deviennent ainsi des ions négatifs. Il y a formation d'un trou peu lié et donc mobile. Ces trous, porteurs majoritaires, assurent la conduction des semi-conducteurs dits de type P.

Céramiques et verres

Les céramiques

Celles-ci sont composées d'éléments métalliques et non métalliques. Elles sont généralement des oxydes, des nitrures, ou des carbures. Le groupe des céramiques englobe une vaste gamme de matériaux, comme les ciments, les verres, les céramiques traditionnelles faites d'argile, etc.

La structure cristalline des céramiques est plus complexe que celle des métaux, car au moins deux éléments chimiques différents sont présents. Il existe des céramiques ioniques, composées d'un métal et d'un non-métal (par exemple: NaCl, MgO) et les céramiques covalentes, composées de deux non métaux ou d'éléments purs (diamant, carbure de silicium, etc.). La structure des joints de grain est également plus complexe car des interactions électrostatiques entraînent des contraintes d'équilibre supplémentaires. Les ions de signes contraires ne doivent donc pas se toucher. C'est pourquoi la céramique présente une certaine porosité (environ 20 % en volume).

Les céramiques ont de nombreux avantages :

• propriétés mécaniques : elles présentent, comme les métaux, un module d'Young bien défini, c'est-à-dire que le module reste constant pendant l'application d'une charge (contrairement au polymère dont l'élasticité n'est pas linéaire). De plus, elles ont la plus grande dureté de tous les matériaux, et sont d'ailleurs utilisées comme abrasifs pour couper (ou polir) les autres matériaux ;
• résistance aux chocs thermiques en raison d'un faible coefficient de dilatation ;
• bonne résistance chimique ;
• résistance à la corrosion ;
• isolation thermique et électrique.

Par contre, leur principale faiblesse est d'être prédisposées à rompre brutalement, sans déformation plastique en traction (caractère fragile) ; les porosités « affaiblissent » le matériau en entraînant des concentrations de contrainte à leur voisinage. La fragilité des céramiques rend impossible les méthodes de laminage ou de forgeage utilisées en métallurgie.

La plupart des céramiques sont mises en forme à partir de poudre compactée puis chauffée à haute température, c'est ce qu'on appelle le frittage. On utilisera surtout des poudres de granulométrie très faible afin de réduire la porosité.

Les verres

Les verres sont essentiellement des solides obtenus par figeage de liquide surfondu. Les quatre principales méthodes de fabrication du verre sont le pressage, le soufflage, l'étirage et le fibrage.

Les verres sont des silicates non cristallins qui contiennent d'autres oxydes (CaO, par exemple) qui en modifient les propriétés. La transparence du verre est l'une des ses propriétés les plus importantes. Ceci est dû à sa structure amorphe et à l'absence de défauts de taille supérieure à la fraction de microns. L'indice de réfraction d'un verre est d'environ 1,5. Pour ce qui est de leurs propriétés mécaniques, les verres sont des matériaux fragiles, mais des traitements thermiques ou chimiques peuvent y remédier.

Composites

Un matériau composite est un mélange de deux matériaux de base, distincts à l'échelle macroscopique, ayant des propriétés physiques et mécaniques différentes. Le mélange est effectué de manière à avoir des propriétés optimales, différentes et en général supérieures à celles de chacun des constituants. Un composite est constitué au moins d'une matrice (liant) et d'un renfort. Les matrices peuvent être d'origine :

• organique : polymères thermoplastiques ou thermodurcissables (polyesters, époxydes, phénoliques, polyimides, silicones, etc.) ;
• minérale : carbone, céramique, béton ;
• métallique : Al, Mg.

Des charges et additifs sont presque toujours incorporés à la matrice. Les renforts sont sous forme de :

• fibres courtes ou longues : ces dernières peuvent être orientées dans le sens des sollicitations (fibre de verre, de carbone, d'aramide, de bore) ;
• charges : gravier (additionné au ciment pour fabriquer le béton), sable, billes de verre, etc.

Le renfort peut être seul au sein d'une matrice (composite homogène) ou associé à un renfort de nature différente (composite hybride). Ces renforts donnent au matériau de nombreuses qualités : rigidité, résistance thermo-mécanique, tenue à la fatigue, résistance à la corrosion, étanchéité, tenue aux chocs, au feu, isolations thermique et électrique, allègement des structures, conception de formes complexes, etc.

Rôles joués par chaque constituant :

• la matrice est un liant, protège les fibres et transmet également les sollicitations aux fibres ;
• les fibres apportent la tenue mécanique (haute résistance, haute résistivité...) et supportent les sollicitations ;
• les charges et additifs améliorent les propriétés du matériau. Les charges abaissent souvent le coût de la matière (effet de dilution). Exemples d'additifs : ignifugeants, anti-UV, fongicides, antioxydants.

La mise en œuvre des composites est soit automatisée (moulage sous vide, RTM...), soit artisanale pour des pièces à hautes performances (moulage au contact...). Les matériaux composites à base de fibres et de polymères en constituent la classe la plus importante (90 % de l'ensemble des composites fabriqués actuellement). Les matériaux composites sont très utilisés dans les domaines aéronautique, automobile, ferroviaire, etc.

Biomatériaux

Un biomatériau est surtout un matériau qui est utilisé et adapté pour les applications médicales. Il peut être d'origine vivante, minérale ou chimique. Les biomatériaux sont aujourd'hui un des secteurs qui se développe le plus rapidement dans le domaine des matériaux en raison de la demande en matériaux novateurs et stériles, aussi bien pour les diverses prothèses que pour le matériel médical.

Il faut faire la disctinction entre la vision médicale du biomatériau et la vision d'un professionnel des matériaux en ce qui concerne la biocompatibilité des matériaux et du corps humain. En effet, un médecin aura tendance à demander un matériel répondant parfaitement à tous les problèmes qu'il veut solutionner tandis que le spécialiste des matériaux verra les compromis qu'il faut utiliser pour obtenir la meilleure alternative matérielle à un problème médical. L'un et l'autre doivent travailler en collaboration mais il n'est pas possible qu'un médecin conçoive le matériel qu'il veut utiliser et qu'un spécialiste des matériaux utilise le matériel qu'il a conçu.

Le secteur des bioplastiques progresse : production de 62 000 tonnes en 2007, 766 000 t attendues en 2009^[5].

L'industrie des matériaux

Toutes les industries qui produisent des biens matériels font appel à des matériaux, la science des matériaux y trouve donc naturellement sa place.

Mise en forme des matériaux

Les techniques de mise en forme des matériaux ont pour objectif de donner une forme déterminée au matériau tout en lui imposant une certaine microstructure, afin d'obtenir un objet ayant les propriétés souhaitées. C'est un travail qui nécessite de maîtriser au mieux les paramètres expérimentaux (composition, température, vitesse de refroidissement, etc.). Les techniques diffèrent selon les matériaux et les objets à fabriquer. Toutes ces techniques bénéficient de la compréhension apportée par la science des matériaux.

Applications

Voici quelques applications des grandes classes de matériaux :

• les polymères : bouteilles d'eau en polyéthylène téréphtalate (PET), CD en polycarbonate (PC), vêtements en polyéthylène (PE), Rilsan^®, Gore-tex, bouteilles de lait, canalisations en polyéthylène haute densité (PEHD), pièces mécaniques en polyamide, mousses d'isolation en polyuréthane (PU), sacs biodégradables en acide polylactique (PLA), etc. ;
• les matériaux de la micro-électronique : AsGa, InP, Si, SiC, Ge, AlInP sont utilisés dans la conception des diodes, transistors, diodes lasers, photodétecteurs, etc. ;
• les céramiques et les verres : vitres, disques de frein en carbone-céramique, outils de machine-outil en carbure de tungstène, pot catalytique en Zircone, etc. ;
• les composites : coques de bateaux, pales d'hélicoptères, aubes de turbine, casques de moto, skis, surfs, planches à voile, arbres de transmission, etc. ;
• les métaux : mobilier urbain en acier galvanisé, tôles en acier, filtres, électrodes de batterie, coupe-flammes en mousse métallique, etc.

Le développement de la protection de l'environnement et du recyclage encourage les entreprises à rechercher de nouveaux matériaux, comme les matériaux biodégradables. L'acide polylactique, extrait de végétaux comme la betterave ou le maïs, en est un bon exemple. Il est actuellement utilisé pour les fils de suture résorbables, pour remplacer les sacs plastiques, ou encore pour les boîtes plastiques.

Aspects économiques et environnementaux

Certains aspects économiques et environnementaux nous amènent à revoir notre façon d'utiliser les matériaux. Le recyclage des matériaux est amené à se développer^[6]. Par exemple, dans le domaine de la microélectronique, les fabricants d'écrans plats ont été confrontés à la flambée du cours de l'indium^[7] et il devient intéressant de le recycler. Autre exemple, l'épuisement progressif des ressources pétrolières pose problème pour la production future de polymères. Il faut donc chercher des solutions alternatives (bioplastiques).

Mais certains matériaux très couramment utilisés ne sont toujours pas recyclables et constituent un vrai problème environnemental. On pense notamment au caoutchouc naturel, à certains élastomères (styrène-butadiène...) qui sont aujourd'hui encore les principaux constituants des pneus, et aux polymères thermodurcissables. Il faut donc soit mettre au point de nouveaux procédés de recyclage, soit mettre au point des matériaux alternatifs plus écologiques, tels les élastomères thermoplastiques.

Caractérisation des matériaux

Il est indispensable pour étudier et comprendre un matériau de le caractériser à l'aide des techniques de caractérisation appropriées. On peut les classer en techniques dites destructives, c'est-à-dire qui endommagent le matériau et en techniques de contrôle non destructif, qui n'endommagent pas le matériau et donc l'objet étudié. Ces techniques de caractérisation bénéficient des apports de la science des matériaux et réciproquement aide à son développement.

Prix Nobel

Un certain nombre de prix Nobel de physique et chimie sont relatifs à la science des matériaux :

• Albert Fert et Peter Grünberg qui ont obtenu le prix Nobel de physique 2007 pour leur découverte simultanée du phénomène de magnétorésistance géante, très utilisée dans les têtes de lecture des disques durs modernes ;
• Pierre-Gilles de Gennes, prix Nobel de physique 1991 pour ses travaux sur les cristaux liquides et les polymères ;
• les prix Nobel de physique 2003 (supraconducteurs, superfluides), 2000 (hétérostructures semi-conductrices), 1998 (effet Hall quantique fractionnaire), 1994 (cristaux), 1987, 1986, 1985, 1982^{[précision nécessaire]} ;
• les prix Nobel de chimie 2000 (polymères conducteurs), 1996 (fullerène).

Notes et références

Bibliographie

• (fr) Didier Bellet et Jean-Jacques Barrau, Cours d'élasticité, Cepadues Éditions, coll. « La Chevêche », Toulouse, 1990, 370 p. (ISBN 2-85428-245-0) 
• (fr) Jacques Bénard (préface de Georges Chaudron), Métallurgie générale, Masson, Paris, 1991, 651 p. (ISBN 2225823472) 
• (fr) Gilbert Chrétien et Daniel Hatat (préface de L. Bourgeois-Lamy), Initiation aux plastiques et aux composites, GIE des producteurs de matières plastiques, Paris, 1990, 174 p. (ISBN 2-85206-594-0) 
• (fr) Pablo Jensen, Entrer en matière, les atomes expliquent-ils le monde ?, Éditions du Seuil, coll. « Science ouverte », Paris, 2001, 257 p. (ISBN 2-02-39604-1) 
• Charles Kittel (trad. Nathalie Bardou, Évelyne Kolb), Physique de l’état solide [« Solid state physics »], 1998 [détail des éditions] 
• (fr) Jean-Pierre Mercier et Ernst Maréchal, Traité des matériaux, vol. 13 : Chimie des polymères : synthèses, réactions, dégradations, Presses polytechniques et universitaires romandes, Lausanne, 1996 (réimpr. 1993), 448 p. (ISBN 2-88074-240-4) 
• (en) Alan Windle, A first course in Crystallography, G. Bell, Londres, 1977, 172 p. (ISBN 0713518863) 

Voir aussi

Liens internes

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Liens externes

• (fr) Liste de ressources concernant la science des matériaux : conférences (audio/vidéo), bases de données matériaux, journaux et magazines spécialisés, articles de vulgarisation, cours, documents, applets, etc.
• (en) Site sur les polymères : site comprenant une base de données importante sur les polymères, tout y est hiérachisé par niveau
• (en) Cours du MIT : nombreux cours sur les matériaux disponibles
• (fr) Cours sur les matériaux  : site de l'association libre cours où l'on trouve quelques cours sur les matériaux en général et sur les composites en particulier
• (en) Moteur de recherche sur les matériaux : base de données conséquente sur les matériaux
• (en) Propriétes des métaux et de certains alliages : PGM Database permet d'avoir les propriétés de certains métaux et les diagrammes de phases de quelques alliages

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