1

Performances des matériaux et leur structure

(Liaisons chimiques)

1.1 Propriétés des matériaux et leur structure

Performances Microstructures

Procédés Structure Propriétés Fonctions

Science et génie des matériaux :

2

Exemple : Oxyde d’aluminium Al2O3

1. Crystal simple (alumine) transparent

2. Polycristal très dense (non poreux) translucide

3. Polycristal (porosité 5%) opaque

1.2 1.2 La classification des matériauxLa classification des matériaux

L té i t êt l é lLes matériaux peuvent être classés selon :

• leur composition chimique

• leur structure atomique (arrangement des atomes)

• leurs propriétés

3

1.3 Les 1.3 Les propriétés des matériauxpropriétés des matériaux

• Les propriétés mécaniques qui reflètent le comportement des matériaux déformés par des forces

• Les propriétés physiques qui mesurent le comportement des matériaux soumis à l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques ou de lumière.

• Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériaux dans un environnement réactif

1.4 Abondance des matériaux et la composition de la croûte terrestre

4

1.5 1.5 La classification des matériaux (selon structure)La classification des matériaux (selon structure)

Métaux etalliages

Liaisons métalliquesSemi

conducteurs

Composites

Biomatériaux

Polymères(plastiques)

Céramiques

Fibres de carbone + époxydesFibres de verre + polyesters

Liaisons covalentes Liaisons faibles (Van der Waals, Liaison Hydrogène) Liaisons fortes

(covalente + ionique)

5

1.6.1 Force et énergie de liaison (+)

Attr

actio

n (-

)

0r0F

orce

Force attractive

1.6 Cohésion du matériau et liaisons

g

Rép

ulsi

on (

Force répulsive ; ; 0

liaison inonique : 2 ; 7 10

A Ba b

A BF F a b

r ra b

r rE E E F d F d ot

entie

lle

Rép

ulsi

on (

+)

0 0

0

A l'équilibre : ( )

: Energie de liaison ou de cohésion

P A B A B

P

E E E F dr F dr

E r E

E

Ene

rgie

po R

Attr

actio

n (-

)

0r0 Distance interatomique

E0

6

(+)

Attr

actio

n (-

)

0r0F

orce

Force attractive

Bons nombre de propriétés dépendent de :

• E0

• La forme de la courbe• du type de liaison• Exemples :

– Etat solide, liquide et gazeux

– Rigidité mécanique (pentes à ro )– Expansion thermique (profondeur du ot

entie

lle

Rép

ulsi

on (

+)

Rép

ulsi

on (

Force répulsive

– Expansion thermique (profondeur du puits )

Ene

rgie

po R

Attr

actio

n (-

)

0r0 Distance interatomique

E0

1.6.2 Types de liaison

Deux types de liaisons :

liaison primaire o chimiq e (forte) se lement les• liaison primaire ou chimique (forte): seulement les couches d’électrons externes de l’atome sont impliquées. La condition couche vide/pleine est remplie (ionique, covalente, métallique)

• liaison secondaire ou physique (faible) : plus faible que les liaisons primaires influence lesfaible que les liaisons primaires, influence les propriétés physiques du matériau (Van der Waals, hydrogène), Energies entre 4 et 40 kJ/mol

7

1.6.3 Liaison ionique (électrons volés), forte

--

- ---

e-La victime : Na ; Le voleur : Cl

Cl Na-

--

-

-

Cl - Na+-

--

-

-

liaison forte dans le solide, 600-1500 kJ/mole

Liaison plus faible dans l’eau, 41 kJ/mole

1.6.3 Liaison ionique (électrons volés)

Isotrope ou non orientée ou non directionnelle (champ d’attraction sphérique)

Prédominante dans les céramiques

Halogénures alcalins (NaCl, KCl, ...), Alcalino-terreux (MgCl2, CaCl2, BaCl2, …)Majorité des oxydes (céramiques) MgO, CaO,…

8

1.6.4 Liaison covalente, forte

• liaison forte (200-700kJ/mole)• partage de 1 ou plusieurs paires électrons pour compléter leur couche électronique extérieure à 8 él télectron• Ex. molécules d’éléments non métallique :O2, N2, CH4 , diamant• Molécules avec atomes dissimilaires: CH4, H2O, HNO3,

SiO2

H

orientée ou directionnelle

CH

H

H

orientée ou directionnelle

1.6.5 Liaison métallique, forte

+ + + +Energie de liaison : 70 à 850 kJ/mole

Illustration schématique de liaison métallique

++ + + +

+ + +• Les électrons périphériques ne sont plus attachés à un atome

• Ils sont délocalisés dans le solidesous forme de nuage qui assuresous forme de nuage qui assure la cohésion

Caractère isotrope

9

1.6.6 Liaisons secondaires, faibles

Liaison d’hydrogène

• Cas spécifique de van der Waals

• Dans les molécules où H

Liaison van der Waals

• Proviennent des dipôles atomiques ou moléculaires

• Existe entre tous les atomes, mais est lié par covalence

• H2O, NH3(azote), HF

• Faible : 50 kJ/mole

,non significative en présence de liaisons primaires

• Liaison faible 8-31 kJ/mole

• Prédomine dans les gaz rares

• Dans les structures moléculaires liées par covalence

1.6.7 Liaison mixte ou hybride : le cas du carbone et du graphite

Graphite Diamant

10

1.6.8 Caractère mixte ou hybride des liaisons atomiques

CovalenteDiamant, Si, Ge

SiO2

Fe, Ni, Co

Ionique

MétalliqueVan der Waals

mica

H2O, N2, Cl2

Cu, Na, Ag

NaCl, MgO, Al22OO33

Energie de liaison et température de fusion de diverses substances

11

Résumé

• Les propriétés chimiques des éléments ne sont fonctions que leurs électrons périphériques (de valence)

• Les liaisons chimiques sont essentiellement de nature électrostatiques : ioniques, covalente etnature électrostatiques : ioniques, covalente et métallique

• La liaison ionique a un caractère isotrope par transferts d’électrons

• La liaison covalente : partage d’électrons de valence, caractère orienté

L li i ét lli i t d’él t i• La liaison métallique : isotrope, nuage d’électrons qui assurent la liaison entre les ions métalliques.

• La nature des liaisons détermine en grande partie les propriétés des phases condensées (solide ou liquide) : ductilité des métaux, fragilité des céramiques, transparence, conductivité, comportements des polymère, etc..

Testez vos connaissances! (1)

• La classification des matériaux est basée sur :

A) l’abondance relative des éléments

B) la structure à l’échelle atomique

C) le type de défaut existant dans les matériaux ) yp

• La liaison ionique est formée par le partage des électrons de 2 atomes

A) Vrai B) Faux

• La nature électrostatique des liaisons les rend

A) non-directionnelle B) Faible

• La liaison entre les atomes dans la molécule d’hydrogène est appelée la « liaison hydrogène »

A) Vrai B) Faux

12

• La température de fusion élevée résulte de :A) force de liaison faibleB) force de liaison forteC) conductivité électrique forteD) l é d li i d i

Testez vos connaissances! (2)

D) la présence des liaisons secondaires

• Dans le graphique ci-contre la liaison est :A) ionique B) covalentC) van der Waals D) métallique

• Le graphite est un bon lubrifiant car:A) les feuillets d’atome sont liées ensemble par des liaisons

O -- Mg++

) pcovalentesB) les atomes dans les feuillets sont liés ensemble par des liaisons covalentesC) Les feuillets sont liés les uns aux autres par des liaisons de van der Waals

Liaison ExempleNature de la liaison

Temp. fusion

Dilata-tion Therm.

Rigidi-té (E)

Conduct. Élec.

Ducti-lité

Liaisons et propriétése : elevé, m: moyen, f : faible

Coval. Diamant

Ionique NaCl

Méttal. Cu,Na,

V.WallsH2,Cl2,

CH4

13

1.7 Structure et organisation des solidesMatériaux cristallins, Matériaux amorphes

• 1.5.1 Monocristal

Cristal idéal :

lacunes

L’arrangement réguliers’étend à l’infini.

Défautsauto-interstitiels

Cristal réel : arrangement régulier et périodique+ défauts

• 1.7.1 Exemple : Silicium

Poudre de silicium

Diamant de silicium

Polycristal de silicium

Monocristal de silicium

14

Les quatorze réseaux spatiauxde Bravais : quatorze façons de distribuer périodiquement des points dans l’espace

Ces réseaux sont répartis en sept systèmes cristallins qui diffèrent entre eux par leurs éléments de symétrie.

1.7.2 Les réseaux cristallins

1.7.3 Matériaux polycristallinsCristallite

(grain)

Joint degrain

Section d’un lingot deplomb polycristallin très pur

15

(a), (b), (c)Schémas des diverses étapes de la solidificationétapes de la solidificationd’un matériau polycristallin

(d)Représentation de la structure granulaireLes ligne sombres sont Les joints de grains

1.7.4 Matériaux amorphes

Structure amorphe : • dense et peu structurée• Similaire à celle des liquides• Certaine périodicité à petite distance

Schémas bidimensionnel : (a) SiO2 cristallin, (b) SiO2 amorphe

16

Structure du verrede silicate de sodium(ordinaire)

Résumé

• Structure cristalline : • Distribution périodique des atomes ordonnées à grande

distance (ordre à longue distance par rapport au rayon atomique)

• Structure amorphe : • dense et peu structurée

q )• Matériaux métalliques, grand nombre de céramiques,

polymères semi-cristallins.• Détermination : par les phénomènes de diffractions

(Diffraction X (Bragg), électrons, neutrons)

p• Similaire à celle des liquides• Certaine périodicité à petite distance (qq diamètres

atomiques, ordre à courte distance)• Verres minéraux, verres métalliques, polymères

17

• Un solide dans lequel les atomes similaires sont dans des positions similaires par rapport à leur voisinage est un solide

A) polycristallin B) amorphe C)monocristallin

Testez vos connaissances!(3)

• Un matériau cristallin contient toujours:

A) des cristaux de différentes compositions chimiques

B) des cristallites de même composition mais avec des structures différentes

C) Des cristallites avec différentes orientations

• Lorsqu’on parle d’un solide avec un ordre à longue distance, c’est en comparaison avec la taille :

A) d’un électron B) d’un atome C) d’une cristallite

1.8 CéramiquesKeramikos (substances brûlées)

• Matériaux inorganiques combinaison d’éléments métalliques(Mg, Fe, Al,…) et non métalliques (souvent oxygène) (oxydes métalliques), yg ) ( y q )

• Réfractaire, grande dureté, grande inertie chimique,

• Faible conductivités thermique, électrique,

• Semi conductivité

• Supraconductivité

• Fragilité, faible résistance au choc thermique

• Silicates• Verres minéraux• Béton de ciment• Céramiques techniquesà haute résistance mécanique et thermique

18

1.8.1 Cristaux ioniques (céramiques)

• La valence( nombre de charge)• Le caractère ionique joue un rôle

important (électronégativité)• La taille relative des ions Rc/Ra

Chlorure de Sodium NaClCFC

Chlorure de césium CsCl Cubique simple

Pérovskite BaTiO3

CFC

Fluorine CaF2

Cubique simpleSulfure de zinc (blende) ZnSCFC

19

1.8.2 céramiques de silicates

Cristobalite, SiO2

Schémas 2D: (a) SiO2 cristallin, (b) SiO2 amorphe Verre ordinaire, amorphe

1.8.3 céramique, carbone

Graphite Fullerène, C60Diamant

20

1.9 Métaux et alliages

• Structure cristalline

• Grande ductilité

• Grande ténacité

O ité t é l t ét lli• Opacité et éclat métallique

• Bonne conductivités thermique, électrique,

Cubique à faces centréesCFC, 0.74 (compacité)

Cubique centréeCC, 0.68

Hexagonale compacteHC, 0.74

1.10 Polymères

• Très grosses molécules (plusieurs centaine de milliers d’atomes)

• Des chaînes

• Composés organiques basés sur carbone, hydrogène et d’autres éléments non métalliques

• Thermoplastiques (linéaires), molécules de p q ( ),taille limitée

• Réticulés (3D), une seule macro-molécule (thermodurcis, élastomères)

21

1.11 Matériaux composites

• 2 ou 3 types de matériaux peuvent être combinés pour former des composites avec les meilleures caractéristiques de chaque composant: résine époxyde renforcée de fibre de verre composite léger à haute résistance, béton

2. Propriétés thermiques

variations de la température

Elles permettent d’interpréter les réactions d’un matériau aux

1. Capacité thermiquep q

2. Dilatation thermique

3. Conductivité thermique

22

2.1 Energie de liaison

E0 correspond à l’énergie potentielle à T=0°K

Diagramme de Condon-Morse

Ene

rgie

pot

entie

lle

Rép

ulsi

on (

+)

on (

-)

0r0

Distance interatomique

Ene

rgie

pot

entie

lle

Rép

ulsi

on (

+)

n (-

)

0r0

Distance interatomique

Att

ract

io

E

0

Att

ract

ion

E

0

Liaison Forte Liaison faible

Vibration des atomes(dans les solides)

• Les atomes sont des oscillateurs couplés

• Les vibrations produisent des ondes élastiques (phonos ou d ti ) i t d l é

• Les atomes vibrent à très haute fréquence >( ultrasons ~ )

12 1410 à 10 Hz910 Hz

• L’amplitude des vibrations croit avec T

ondes acoustique, sonores) qui se propagent dans le réseau cristallin• ondes lumineuse photons

• Le point d’ébullition est proportionnel à la profondeur du puits

23

Vibration des atomes : Modes propres (1D)

Energies de liaisons et températures de fusion de diverses substances

24

2.2 Dilatation thermique

• Coeff. de dilatation thermique linéaire

lf l0 (T T )

• Ou

• Coeff. de dilatation thermique volumique

f 0

l0

l (Tf T0)

l

l0

lT

• Pour un matériaux isotrope v=3 l

V

V0

vT

Effet de la température surla distance interatomique

1T E T3

r

0

T3Ene

rgie

pot

entie

lle

Rép

ulsi

on (

+)

-)

0r0 Distance interatomiquer’0

01r T E E0 T0

T1

T2

E0

T0

T1

T2

Attr

actio

n (-

E0T0

T1

T2

T3

25

• Expansion thermique est reflétée par une augmentation

Effet de la température surla distance interatomique

reflétée par une augmentation de distance moyenne entre les atomes

•Due à la forme asymétrique du puits, plutôt qu’à la cinétique des vibrations atomiques

Ene

rgie

pot

entie

lle

Rép

ulsi

on (

+)

ctio

n (-

)

0r

0

Distance interatomique

T

T3

r’0

•Pour la majorité des matériaux, plus grande est l’énergie de liaison, plus profonde et plus étroite sera la courbe d’énergie et plus faible sera la dilatation.

Att

rac

E0T0

T1

T2

(linéaire) pour différentes classes de matériaux

Coefficient (linéaire) de dilatation thermique

Métaux Céramiques Polymères

5x10-6 à 25x10-6 (°C-1) 0.5x10-6 à 15x10-6 (°C-

1)50x10-6 à 400x10-6 (°C-1)

petit et matériau Coeff. plus élevé, peu

Fe-Ni-Co et Fe-Ni (Kovar): ≈1x10-6 (°C-1)

isotrope => résistance au choc thermique

branchés

(Faible : bakélite, réticulé)

26

2.3 La capacité thermique ou calorifique

• L’augmentation de température d’un matériau résulte de l’absorption d’énergie.

• La capacité calorifique C indique l’aptitude d’un matériau à absorber la chaleur :

/dQ

C J mol KdT

dQ

dT

: apport de chaleur

: augmentation de temp.

• Par unité de masse, on parle de chaleur spécifique c[J/Kg.K]

• : La dérivée/T de l’énergie interne molaire du corpsvC

• : La dérivée/T de l’enthalpie molaire du corpspC

2.2 La capacité thermique ou calorifique

• La capacité calorifique se mesure de deux façons :

• A pression constante vCpC et volume constant

• En général p vC C

0.01p vC C pour le cuivre, T=20°C

0.67p v

p

C C

C

pour un gaz monoatomique

pCp ,

27

Effet de la température sur la capacité calorifique

Variation deen fonction de la température

vC R constante des gaz

: constante de Plank

t t d B lt

h

ktempérature

D Pour nombreux solides :

à la température ambiante

D température de Debye2D DB

h

k

: fréqu. max.D

: constante de BoltzmannBk

D à la température ambiante

DT

A basse température : 3vC AT A : constante indép. de T

3 25 J/mol K (monoatomique)vC R 3 x (p : nmbre d'atomes)vC R p

Capacité calorifique molaire (valeur théorique : 25 J/mol K)

T

Elément

300 K 500 K 1000 K

Be

C(diamant)

16.4

6 24

22.2

13 4 21 6C(diamant)

Al

Cu

Pb

6.24

24.3

24.2

26.8

13.4

25.8

26.1

29.4

21.6

28.9

Elément ( )D KC(diamant)

Al

Cu

Mo

Ag

Pb

3000

390

320

380

226

90

Quelques températuresde Debye

28

2.4 Conduction thermique

Transmission de chaleur de particule à particule dans les corps solides, liquides ou gazeux sans déplacement global de la matière.• Conductibilité thermique : l’aptitude à transmettre la chaleur(loi de Fourrier)(loi de Fourrier)

J : flux de chaleur (W)

TJ S

x

S

(régime permanent ou stationnaire)

: coeff. de conductibilité thermique (W/m°K)

S : surface (m2)

∆T/ ∆x : gradient de température (K/m)

S

∆x

Mécanismes de conduction de chaleur

• Dans les solides la chaleur est transportée par la vibration de ondes de réseau (phonons) et par les électrons libres:

mouvement des phonons de la région de haute température à la région de basse température dans un corps sous l’effet d’un gradient de température

les électrons libres ou conducteurs d’une région chaude se voient leur énergie cinétique augmenté , ils migrent vers les régions froides

p e

e

p

régions froides

matériaux conducteurs: pierre, béton 0.6< Isolants briques : 0.2< Bons isolants: bois, laine minérale Air immobile:

W/m K

29

Métaux

• Conductivité thermique Conductivité électrique

• Métaux purs : électrons plus efficace

p e

th

el

LT

: constante de LorentzLMétaux purs : électrons plus efficace

que les phonons,

pas de diffusion + plus rapide

≈ 20 à 400 W/mK

• Alliages et métaux

avec impuretés => plus faible,

Alliage cuivre-zinc

Céramiques

• Peu d’électrons libres• Phonons moins efficaces

dus aux imperfections du

p e

dus aux imperfections du réseau

• Matériaux amorphes plus isolant (diffusion)

= 2 à 50 W/m K diminue avec la porosité(air= 0.02W/m K)

diminue lorsquela température augmente

30

Polymères

≈ 0.3 W/mK

Transfert de chaleur par vibration et rotation des

p e

Transfert de chaleur par vibration et rotation des chaînes

dépend du degré de cristallinité

Matériaux élaborés par moussage, polymères expansés (Sagex: polystyrène expansé)

Tableau de propriétés thermiques

31

• Conductivité thermique d’un monocristal A) est plus grand qu’un polycristalB) plus petite qu’un polycristalC) est identique à celle d’un polycristal

Testez vos connaissances! (1)

• Conductivité des matériaux amorphes > matériaux cristallinsA) vrai B) faux

• Les métaux ont une plus grande conductivité que les céramiquescar

A) contribution de p < e B) p > e

• Matériau poreux avec un réseau de pores connectés (porosité ouverte) est plus isolant que le même matériaux avec des pores déconnectés (porosité fermée)

A) vrai B) faux

• Quelle configuration choisir pour un matériau isolant

e élevé et p faible B) p élevé et e faible

C) e et p faibles D) e et p élevés

Testez vos connaissances! (2)

) e p ) e p

• Conductivité d’un matériau humide > matériau sec

A) vrai B) faux

32

Comparaison des propriétés thermiques des matériaux

Composé Phase (10-6.K-1) (W/m-1.K-1)

Azote gaz - 0.03

Eau Liquide 200

0.050

AluminiumSolide

24 350

Fer solide 12 120

granite polycristal 7-9 3

Verre de siliceSolide amorphe et inorganique

0.5 1

PolystyrèneSolide amorphe

et organique≈150 0.15

2.4 Contraintes thermiques

• Contraintes provenant d’une restriction de expansion/contraction thermique

• 1D E l (T0 Tf ) E lT

• 3D

• Contrainte résultant du gradient de température• Choc thermique des matériaux fragiles

RCT (résistance au choc thermique)

: résistance à la rupture

/ (1 )lE T v

r

l

RCTE

: résistance à la rupture

: module d'élasticitér

E

Ex : Verre sodocalcique -6 -19x10 ( C )l

En réduisant CaO et Na2O par ajout de B2O3

(Pyrex)

-6 -13x10 ( C )l

33

3. Propriétés Mécaniques

Elles reflètent le comportement du matériau sous l’effet de forces ou déplacements

Traction simple

3.1 Contraintes et déformations

F

dF

dFF dA

dA

t i t0A

F

: contrainte

0

0 0

l l l

l l

: déformation

34

Compression 0

0F

A

3.1 Contraintes et déformations

dF

dFF dA

dA 0

0

0l l

l

F

Module d’élasticité :

3.2 Loi de Hooke (élasticité)

0

F

A

0

l

l

E

: module d'élasticité ou

module d'Young

E

35

Coefficient de Poisson

0

zz

z

l

l

3.2 Loi de Hooke (élasticité)

0z

zF

x y z z zE

Déformation volumique

V x y z

x

y

F

(1 2 ) z

Torsion simple :

tan( ) : le cisaillement ou distorsion

contrainte de cisaillement ou cission

3.2 Loi de Hooke (élasticité)

0

F

A

contrainte de cisaillement ou cission

: module de cisaillement ou de CoulombG

G

2(1 )

EG

36

Propriétés élastiques de quelques substances

Propriétés élastiques de quelques substances

37

3.3 Caractérisation des propriétés mécaniques

Essais de traction :

Résistance en traction

E

Céramiques

3.3 Diagramme contrainte-déformation

verre

38

3.3 Diagramme contrainte-déformation

polymères

Fragile

Ductile (plastique)

Elasticité caoutchoutique(élastomères)

Essais de compression :

50

2.3 Diagramme contrainte-déformation

Le béton et ses constituants

Co

ntr

ain

t. M

Pa

40

30

20pâte deciment

béton

granulat

1000 2000 3000Déformation, 10-6

C

0

10 High Strength

39

Module Tangent

Essais de compression (béton)

2.3 Diagramme contrainte-déformation

gModule sécant

Co

ntr

ain

te

Corde

Tangente

1

Tangenteinitiale

Déformation

C

Sécant

Force et énergie de liaison

(+)

Attr

actio

n (-

)

0r0F

orce

Force attractive

3.4 Relation avec la structure atomique

A Br

Rép

ulsi

on (

Force répulsive

p n

PR

A BE

r rdE

Fdr

2

2= ;R PdF d E

dr dr

oten

tielle

Rép

ulsi

on (

+)

0 pdE

dr

0 0r r

dr dr

Ene

rgie

po R

Attr

actio

n (-

)

0r0 Distance interatomique

E0

r0rdr

3 ( 2)

(1 ) (1 )

2 ( 1)n

n n

A nB ncste

A AnB nB

40

Module d’élasticité

1RdFE r

3.4 Relation avec la structure atomique

( : courbure de )P

dr

E

Résistance théorique

2 sE ER

0

;10

: énergie de surface

(correspond à l'énergie supplémentaire nécessaire

pour maintenir les atomes de surfaces avec leur voisins)

sth

s

Rr

La réponse du matériaux à la lumière

4. Propriétés optiques

41

4.1 Interaction de la lumière et d’un solide

• La réponse du matériaux à une exposition à une radiation p pélectromagnétique en particulier la lumière

• Interaction de la lumière avec un solide

• L’intensité du faisceau incident est égale à la somme des intensités transmises

• Matériaux transparents : transmettent la lumière avec peu d’absorption t éfl i

I0 It Ia Ir

et réflexion

• Matériaux translucides : la lumière est transmise de manière diffuse

• Matériaux opaques : pas de transmission

4.2 Comportement du rayon lumineux interagissant avec divers milieux

a) Corps transparent(Verre minéral,

i t l d Al O

b) Corps translucide (PE, Al2O3 fritté)

b) Corps opaque et brillant (métal)

monocristal de Al2O3, PMMA)

42

4.3 Spectre de rayonnement

Spectre solaire comparé à la

ibilité dsensibilité de l’œil et au rayonnement thermique

4.4 Transparence

Transparence d’un verre courant, d’un verre réfléchissant et d’un verre acrylique

Transparence d’un verre en fonction de la teneur en oxyde de fer